1引言

在開(kāi)關(guān)電源里，可把直流電壓從一個(gè)電平變換到另一個(gè)電平。諸如buck電路，boost電路以及buck－boost電路。但是，當(dāng)要求把相當(dāng)高的直流電壓變換到相當(dāng)?shù)偷闹绷麟妷簳r(shí)，常規(guī)變換技術(shù)的效率較低，特別是當(dāng)變換器的工作頻率在1MHz以上時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗變得特別大。

圖1電路就是常規(guī)的buck（正激式）變換器。該變換器在正常工作期間，開(kāi)關(guān)管S1導(dǎo)通，把輸入電壓和輸出電壓之差加在電感L1上，使電感L1中的電流增加，并對(duì)輸入電容CS充電；該電流又送至負(fù)載RL上。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1關(guān)斷時(shí)，電感L1極性反向使二極管D1導(dǎo)通，然后，電流流經(jīng)D1和L1，其幅度是逐漸下降的，直到S1再導(dǎo)通為止，又開(kāi)始下一個(gè)工作周期。

圖2為常規(guī)的buckboost變換器，它用變壓器T把輸入及輸出電壓隔離開(kāi)來(lái)。該變換器可使輸出電壓的幅值大于或小于其輸入電壓的幅值。此電路的缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)管電流和二極管電流均比基本的buck或boost變換器的電流大。

本文所介紹的具有有源箝位的DC/DC功率變換器，可以在1MHz以上的開(kāi)關(guān)頻率下，以零電壓諧振變換來(lái)工作。電路中，只需要一個(gè)磁芯兼作電感和變壓器。通過(guò)改變?cè)驯龋垣@得所需要的電壓。對(duì)其輸出特性的控制和普通的變換器拓?fù)湟粯?。用零電壓諧振變換和變壓器隔離技術(shù)，對(duì)磁芯無(wú)特殊要求。該電路控制部分采用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM），工作頻率高，效率也高，且輸入輸出隔離。

2電路結(jié)構(gòu)說(shuō)明

圖1常規(guī)的buck變換器電路

圖2常規(guī)的buck－boost變換器電路

圖3為本文重點(diǎn)介紹的具有有源箝位的DC/DC變換器電路。電路中采用了三只開(kāi)關(guān)管S1、S2及S3，變壓器T，變壓器初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的濾波電容分別為Ci和Cs。為分析方便，假定電容足夠大，電容電壓在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)為恒定值；變壓器初次級(jí)繞組的耦合系數(shù)為1；開(kāi)關(guān)管是理想的，即無(wú)功耗，并且能通過(guò)正反任一方向的電流。此外，在分析中，只考慮單輸出形式，要輸出幾種電壓，可以增加次級(jí)繞組。

通常是用普通的定時(shí)電路（未畫(huà)出）來(lái)控制三個(gè)開(kāi)關(guān)管的工作。其控制波形如圖4所示。在工作時(shí)，有源箝位開(kāi)關(guān)S1和同步開(kāi)關(guān)S3由同一信號(hào)ug來(lái)驅(qū)動(dòng)

圖3具有有源箝位的DC/DC變換器

圖4圖3電路工作波形圖中iLPM的峰峰值為

圖5S2導(dǎo)通電路狀態(tài)

圖6S1、S3導(dǎo)通電路狀態(tài)

(同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)截止),如圖4（a）波形所示。S2則用相反的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)。這樣，當(dāng)S1及S3導(dǎo)通時(shí)，S2截止,反之亦然。因?yàn)榧俣⊿1、S2、S3均為理想開(kāi)關(guān)管，即開(kāi)通與關(guān)斷是瞬時(shí)完成的。實(shí)際上，開(kāi)關(guān)時(shí)間在30ns～120ns之間，一般采用先關(guān)斷后開(kāi)通的波形來(lái)驅(qū)動(dòng)。

3電路工作狀態(tài)分析

圖5和圖6所示為圖3電路的兩種工作狀態(tài)。假定開(kāi)始時(shí)該電路已處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，如圖5所示，S2導(dǎo)通，變壓器初級(jí)繞組中的電流增加，給電容CP充電，而輸出電流Io完全由電容CS支持著。在圖6所示的狀態(tài)中，S1及S3導(dǎo)通。這就使貯存在電容CP和電感LP中的能量，從變壓器初級(jí)側(cè)傳遞到次級(jí)側(cè)負(fù)載。

S2的工作周期為T(mén)，占空比為D，導(dǎo)通間隔為工作周期的一部分，即DT。而S1及S3的導(dǎo)通時(shí)間間隔為T(mén)－DT=T（1－D）。在周期T內(nèi)，初級(jí)繞組兩端電壓的平均值為零，即

(Ui－nUo)DT－nUo(1－D)T=0(1)

UiD=nUo(2)

D=nUo/Ui(3)

式中，n是變壓器的匝比。式（1）示于圖4（b）。同樣Cs中的平均電流也為零。當(dāng)S2導(dǎo)通時(shí)，Cs供給負(fù)載電流Io。當(dāng)S1及S3導(dǎo)通時(shí)，Cs充電，以補(bǔ)償S2導(dǎo)通時(shí)Cs輸出的能量。在理想情況下，可以認(rèn)為Cs中的電流ICS基本上是矩形，如圖4（c）所示。當(dāng)S2導(dǎo)通時(shí)，Cs輸入電流ICS和輸出端電流Io是幅值相等相位相反的,即

ICS=－Io(4)

在S1和S3導(dǎo)通期間，Cs的輸入電流ICS等于次級(jí)繞組中的電流Is和輸出電流Io之差，即

ICS=Is－Io(5)

因?yàn)殡娙軨S上的平均電流為零，則有

－DIo＋(1－D)(IS－Io)=0(6)

次級(jí)繞組中的電流Is可表示為

Is=Io/（1－D）(7)

在S1及S3導(dǎo)通期間

ICS=Io/(1－D)－Io(8)

=Io·D/(1－D)(9)

將式（3）代入式（9）得

ICS=Io·nUo/（Ui－nUo）(10)

Cs中的輸入電流ICS示于圖4（c），輸出電流Io示于圖4（d），Is示于圖4（e）。

圖7CP與繞組并聯(lián)電路圖

依據(jù)線性疊加，變壓器初級(jí)繞組中的電流由三部分組成：第一部分是磁化電流ILpm，系S2導(dǎo)通時(shí)Ui在初級(jí)繞組兩端所加的電壓引起的，它與輸出電流無(wú)關(guān)；第二部分電流是在S1和S3導(dǎo)通期間，次級(jí)繞組的電流感應(yīng)到初級(jí)繞組中的電流，用ILP1－3表示；第三部分電流是在S2導(dǎo)通期間，由輸入電流ILP2所產(chǎn)生的。

磁化電流由加在初級(jí)繞組上的電壓、繞組電感、開(kāi)關(guān)周期T及占空比D決定。當(dāng)S2導(dǎo)通時(shí)(11)

在S2導(dǎo)通期間，峰－峰磁化電流：(12)

在S1及S3導(dǎo)通期間的峰－峰電流可用同樣的方法求出(13)

在穩(wěn)態(tài)條件下，式（12）與式（13）相等。

在S1和S3導(dǎo)通期間，負(fù)載電流在初級(jí)側(cè)產(chǎn)生的電流ILP1－3，可借用變壓器的匝比關(guān)系，把式（7）反射到初級(jí)側(cè)即得(14)

在S2導(dǎo)通期間，負(fù)載電流在初級(jí)側(cè)產(chǎn)生的電流ILP2可這樣來(lái)考慮：在S2導(dǎo)通期間，必定有輸入電流流通，以支持輸出電流，因?yàn)檩敵瞿芰康扔谳斎肽芰浚ɡ硐胱儔浩鳎忠驗(yàn)樗矔r(shí)功率等于電壓和電流之積，由式（3）可得（15）整理后得（16）

在S2導(dǎo)通期間，平均負(fù)載電流在初級(jí)側(cè)產(chǎn)生的電流等于輸入電流Ii（17）或（18）

初級(jí)繞組磁化電流ILPm的波形為三角形，如圖4（f）所示。由式（14）及（18）所示的負(fù)載電流波形分別示于圖4（g）和圖4（h），而合成的初級(jí)電流波形示于圖4（i）。由于初級(jí)繞組電感量較大，在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，即使S2關(guān)斷，ILP2基本上仍保持為恒定值。

如果沒(méi)有輸出電流，磁化電流的平均值為零。因此，當(dāng)變壓器空載時(shí)，初級(jí)電流為正負(fù)峰峰等幅的波形。而獲得零電壓諧振開(kāi)關(guān)，該磁化電流的峰－峰幅值，必須大于兩倍負(fù)載電流在初級(jí)繞組中所產(chǎn)生的電流。

這種串聯(lián)功率變換拓?fù)涞奶攸c(diǎn)在于：在正激變換電路中，只用了一只磁性元件，該磁性元件起兩個(gè)作用：一是作為電路中的電感器，二是作為隔離變壓器。另外一種類(lèi)似電路如圖7所示。

　　這種電路結(jié)構(gòu)和工作情況，基本上和圖3一樣，Cp只有當(dāng)S1導(dǎo)通時(shí)，才能并接到初級(jí)繞組。圖7電路所產(chǎn)生的波形示于圖8。其工作狀態(tài)分別示于圖9和圖10。在圖9中S2導(dǎo)通，使初級(jí)繞組中的電流增加，而輸出電流完全由電容CS來(lái)提供。在圖10中S1和S3導(dǎo)通，CP上的電壓Ucp（是在S1及S3斷開(kāi)時(shí)，Cp連續(xù)充放電所形成的），加在變壓器初級(jí)繞組上。

圖8電路工作波形

圖中iLpm的峰值為

圖9S2導(dǎo)通電路狀態(tài)

圖10S1、S2導(dǎo)通電路狀態(tài)

穩(wěn)態(tài)時(shí)，初級(jí)電感上的電壓在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)平均值為零

UiDT＋(－nUo)(1－D)T=0(19)

nUo(D－1)＋UiD=0(20)(21)

其波形示于圖8（b）。從式（9）和（21），可得（22）

Ics波形示于圖8（c）。輸出電流Io波形示于圖8（d），而次級(jí)電流Is波形示于圖8（e）。

在S2導(dǎo)通期間，磁化電流（23）

磁化電流的峰－峰值：（24）

同樣，在S1和S3導(dǎo)通期間，磁化電流的峰－峰幅值為：（25）

式（25）的波形示于圖8(f)。

式（7）所表示的電流反射到變壓器初級(jí)側(cè)，就導(dǎo)出式（14）。

在S2導(dǎo)通期間，由負(fù)載電流在初級(jí)側(cè)所產(chǎn)生的電流，可由式（21）導(dǎo)出（27）整理后可得（28）

在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，S2導(dǎo)通期間由負(fù)載電流在初級(jí)側(cè)所產(chǎn)生的電流等于輸入電流Ii（29）或（30）

式（30）的波形示于圖8（g）。

初級(jí)繞組磁化電流ILPm為三角波形，如圖8（f）所示。合成的初級(jí)電流波形如圖8（h）所示。

當(dāng)輸出電流為零時(shí)，就和正激變換器的情況一樣，初級(jí)繞組中只有磁化電流，其平均值為零。圖7電路和圖3電路不同點(diǎn)是：圖3電路在S2關(guān)斷期間，初級(jí)繞組中無(wú)磁化電流，而在圖7電路中，即使在S2關(guān)斷期間，CP仍會(huì)提供一定的磁化電流。

4結(jié)語(yǔ)

圖3電路由于采用開(kāi)關(guān)管S1作為有源箝位/恢復(fù)器件，使該電路具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）為使變壓器恢復(fù)，不需要附加恢復(fù)繞組，或附加有損耗的箝位器件。

（2）占空比比較高，允許輸入電壓范圍寬，或采用較高的匝比。

（3）由于匝比較高，初級(jí)上的電流應(yīng)力和次級(jí)側(cè)上的電壓應(yīng)力可大大減輕。

（4）存貯在寄生元件中的能量被傳輸?shù)街C振槽路元件上，并循環(huán)進(jìn)行，結(jié)果使電路效率提高，噪聲下降。

（5）由于開(kāi)關(guān)電壓被箝位到一個(gè)可控制的電平上，器件應(yīng)力減小了，就可采用低額的開(kāi)關(guān)器件。

（6）可實(shí)施零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS），從而可工作在較高的頻率上并獲得較高的效率。

（7）在整個(gè)輸入電壓變化范圍內(nèi)，開(kāi)關(guān)管上的電壓應(yīng)力相當(dāng)恒定，這就為設(shè)計(jì)者提供了綜合考慮的余地。而在其他單端式電路中，由于開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力與輸入電壓成正比，不具有這個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

（8）由于采用了這種有源箝位技術(shù)，就有可能在次級(jí)側(cè)采用同步開(kāi)關(guān)改善變壓器波形。