基于有源箝位反激拓扑的高效DC/DC变换器研究

李媛媛+王毅+刘林+刘金鹏

摘要：本文介绍了有源箝位软开关技术在高效DC/DC变换器设计中的技术方案，分析了有源箝位反激拓扑电路的原理，并通过一款Sw的DC/DC变换器仿真和电路实验结果的比对，验证了有源箝位反激拓扑电路对于提高效率是非常有效的。

【关键词】有源箝位 反激拓扑 高效率

1 引言

随着电子设备不断小型化发展，要求供电电源的体积随之小型化，电源体积的减小意味着散热能力的变差，因而要求电源的功耗变小，即在输出功率不变的前提下，效率必须提高。特别是开关电源在航空航天技术上的应用与发展，对高效、小型化电源的需求十分迫切。提高开关电源的功率密度和电源转换效率，使之小型化、轻量化是人们不断努力追求的目标。高频化、软开关技术作为电源小型化的主要技术手段之一，近年来是国际电力电子界研究的热点之一。

本文介绍一种Sw功率双路输出的高效率、高功率密度DC/DC变换器的设计方案，通过有源箝位反激拓扑结构，在保证产品体积做小的同时，实现了76%的较高转换效率。此外，该DC/DC变换器还具有短路保护、欠压保护、软启动、禁止控制等多项辅助功能。

2 有源箝位反激变换器原理及分析

有源箝位反激变换器电路拓扑及原理波形，分别如图1、图2所示。

变压器用励磁电感Lm、谐振电感Lr（包括变压器漏感和外加小电感）和只有变比关系的理想变压器T表示，Cr为等效电容，是两个开关管Sl（主开关管）和S2（辅助开关管）等效寄生电容之和。稳态工作时，每个开关周期可分为九个工作时段，其工作过程为：

（1）当t=t0- tl：tO时，Sl开通，S2及其反并联二极管D2与整流二极管D3均关断，Lm与Lr线性充电，谐振电感电流i，。与励磁电感电流iLm相等并在输入电压的作用下线性上升：

（2）当t=tl～t2：t1時，Sl、S2、D3均关断，励磁电感电流对Cr充电，电感Lr、Lm与Cr谐振：

（3）当t=t2-t3：t2时，S2反并联二极管D2自然导通，因为Cc》Cr，电感Lr、Lm主要与Ce谐振：

（4）当t=t3-t4：t3时，D3导通，变压器原边电压被箝位在u_pri（t）=-nU₀，谐振电感Lr和箝位电容Cc谐振，励磁电感电流线性减小；

（5）当t=t4-t5：t4时，S2开通，其他电路状态同t3-t4；

（6）当Ft5～t6： t5时，谐振电感电流i_Lr等于零，此后，i_Lr开始反向；

（7）当t=t6～t7： t6时，S2关断，励磁电感电流线性减小，负的谐振电感电流iLr将抽取寄生电容Cr上的能量，谐振电感Lr和寄生电容Cr谐振，谐振期问变压器原边电压仍被箝位在-nU。；

（8）当t=t7-t8： t7时，寄生电容Cr的电压谐振到零，S1的反并联二极管DI导通，励磁电流iLm线性减小，谐振电感电流iL。线性增加；

（9）当t=t8～tO： t8时，SI开通，励磁电流iLm继续线性减小，谐振电感电流iLr继续线性增加，tO时，D3截止，该工作周期结束，进入下一工作周期。

通过以上工作过程分析可知，有源箝位反激变换器具有以下优点：

（1）箝位电容Ce将变压器漏感中能量回馈到电源中，消除了变压器漏感引起的关断电压尖峰及损耗，并且有效减小了功率开关管上的电压应力；

（2）利用谐振电感和箝位电容、寄生电容谐振实现主、辅开关管的零电压开通，降低了功率开关管的开关损耗，提高了效率。

为了实现主、辅开关管的零电压开通（ZVS），需满足的条件为：在Sl开通信号到来之前，谐振电感Lr将寄生电容Cr两端电压谐振到零；S2在谐振电流反向之前触发导通。

3 5W功率DC/DC变换器设-l-

主要技术指标为：

（1）输入直流电压：14V～40V；

（2）输出直流电压：+5V；

（3）输出电流：0.5A；

（4）输出功率：5w；

（5）转换效率：73%；

（6）电压调整度：≤20mV；

（7）电流调整度：≤50mV；

（8）交叉调整度：≤220mV；

（9）输出纹波电压：≤50mV；

（10）开关频率：400kHz～600kHz；

为了实现该技术指标，根据设计方案设计电路参数。

3.1 主要电路设计

3.1.1 有源箝位电路设计

有源箝位电路由PMOS管及其驱动电路和筘位电容构成，具体电路如图3所示。

（1） PMOS管驱动电路一一电平移位。PMOS管驱动电平为负，脉宽调制器输出的驱动AUX电平为正，电容C1、二极管V1、电阻R构成电平移位电路。当AUX为+V_AUX时，电容Cl、二极管Vl形成通路，Cl两端电压充至+V_AUX，PMOS管关断；当AUX为O时，电容两端电压不可突变，PMOS管G级电平为-V_AUX，导通。此时电容Cl通过电阻R放电，当放电时问常数够大时，在PMOS管导通时问内电容Cl两端电压基本维持在-V_AUX。

对于R和C1放电电路，电容C1两端电压为指数型下降。一个时问常数τ（τ=R×Cl）后，电容电压下降至初值的36.8%.三四个τ后，可认为放电完成。取时问常数τ为开关周期的100倍，则PMOS管导通时问大约在1/200个时问常数（占空比作0.5）。可认为驱动电压基本不变。

3.2 电路仿真与测试结果

3.2.1 仿真结果

采用Saber仿真软件仿真得到的波形如图5所示，分别为启动电压波形和28V输入时功率开关管漏极电压波形，输出电压没有启动过冲，功率开关管漏极电压波形正常，因仿真原理图中未采用有源箝位电路，功率开关管电压应力比实际采用有源箝位的大。

3.2.2 测试结果

实测波形见图6，从波形图可以看出，输出电压没有启动过冲，主功率开关管漏极电压波形平稳，没有尖峰和振荡。

实测结果与Interpoint公司相同功率等级双路DC/DC变换器指标对比如表1所示。开关频率500kHz，效率76.8%，实测结果达到设计目标，验证了电路设计的合理性和有效性，本方案指标完全满足Interpoint产品指标要求，并且输入电压范围更宽、效率更高。

4 结论

本文简要论证了有源箝位软开关技术在高效DC/DC变换器中的应用方案，对有源箝位反激变换器的电路原理进行了分析；同时，设计了一款5w高效DC/DC变换器，通过电路仿真和实测技术指标的比对，验证了该设计方案是合理有效的。综上，在高效DC/DC变换器设计中，采用有源筘位软开关技术是非常可取的一种技术方案，特别是对于输出低压大电流的DC/DC变换器设计，同时配以同步整流技术，可大大提高电源效率。

参考文献

[1] Abraham I.Pressman.开关电源设计（第三版）[M].电子工业出版社，2010.

[2]张占松蔡宣三，开关电源的原理与设计（修订版）[M].电子工业出版社，1998.

[3] Sanjaya Maniktala.精通开关电源设计[M].人民邮电出版社，2008.endprint