基于有源鉗位的Flyback變換器分析

反激變換器既可以當(dāng)作變壓器使用，也可以作為儲(chǔ)能電感使用，是一種可將間接變換器轉(zhuǎn)變成電氣隔離的電路：即用帶磁化電感的變壓器代替電路中的電感。因?yàn)殡姼猩蠜]有直流電壓。當(dāng)Q導(dǎo)通時(shí)，D關(guān)斷，電能流入Lμ；當(dāng)Q關(guān)斷,D導(dǎo)通，儲(chǔ)存的磁能經(jīng)副邊繞組流向負(fù)載。如果沒有漏電感，除了變壓器產(chǎn)生升壓與降壓作用外，反激式變換器的工作與非隔離變換器是一樣的。當(dāng)原邊有漏電感且當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，其儲(chǔ)能需要釋放，通常必須加緩沖電路。正激電路中的變壓器的磁化電流越小越好，而反激必須具有一定的值以儲(chǔ)存能量。該變壓器稱為儲(chǔ)能變壓器。其電流電壓波形圖如圖2所示。

2  有源鉗位反激電路分析

有源鉗位反激電路的目的在于解決直流諧振環(huán)輸出電壓過高的問題，而電壓峰值過高的原因是輸出電壓實(shí)際上是LC串聯(lián)諧振電路的電容端壓,在諧振狀態(tài)下，該電壓必然會(huì)高出電源電壓。但諧振狀態(tài)是使后續(xù)電路獲得軟開關(guān)環(huán)境的手段，因此，采用有源鉗位電路的作用是在保持電路諧振的前提下,將輸出電壓峰值限制在可以接受的水平上。所謂有源鉗位反激電路，是指包含功率器件的鉗位電路，因其性能優(yōu)越而倍受歡迎，其主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

有源鉗位反激變換器除了能將漏感上的能量反饋到輸出，以提高電路效率外，還具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先，電壓鉗位效果良好，能減少開關(guān)管上的電壓應(yīng)力；其次，電路原邊的主開關(guān)管和輔助開關(guān)管都可實(shí)現(xiàn)ZVS,從而減少電路的開關(guān)損耗。這個(gè)特性對(duì)于高壓輸入的場(chǎng)合特別重要。由于開關(guān)管上的電壓是諧振到零的，這樣，就既限制了電壓關(guān)斷時(shí)的du/di,同時(shí)鉗位電容和變壓器原邊諧振電感的諧振還限制了副邊整流管關(guān)斷時(shí)的di/dt_;通過恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)鉗位電容的值，還可以實(shí)現(xiàn)副邊整流二極管的ZCS,從而減少或消除了整流管的開關(guān)損耗和由于二極管反向恢復(fù)引起的開關(guān)噪聲，從而有效減少電路的EMI。有源鉗位反激電路不但可以做為普通的DC/DC變換器來使用，而且還可以用作一個(gè)性能優(yōu)良的PFC電路。有源鉗位變換器電路的工作波形如圖4所示。

有源鉗位反激變換器的工作過程如下:在[t₀,t₁]時(shí),主開關(guān)S₁導(dǎo)通，輔助開關(guān)S₂關(guān)斷,輸出整流二極管D₁承受反向電壓,S₂的體內(nèi)反并聯(lián)二極管也反向偏置,L_r和L_m上的電流在V_in的作用下線性上升;對(duì)于[t₁,t₂],在t₁時(shí)刻,S₁關(guān)斷，L_m和L_r一起同C_r進(jìn)行諧振，利用激磁電流給c_r充電，S₂處于關(guān)斷狀態(tài),S₂體內(nèi)二極管續(xù)反向偏置;[t₂,t₃]在t₂時(shí)刻，C_r被充電到V_Cr,此時(shí),S₂的體內(nèi)二極管開始導(dǎo)通，L_m和L_r同C_e進(jìn)行諧振，因而利用激磁電流給C_r充電。由于C_e遠(yuǎn)大于C_r,幾乎所有的激磁電流都通過二極管流向鉗位電容，同時(shí)L_m和L_r以一定比例進(jìn)行分壓，勵(lì)磁電壓即變壓器一次電壓V_n1下降規(guī)律為:V_n1=—[L_m/(L_r+L_m)]V_ce;[t₃,t₄]在t₃時(shí)刻,V_n1已經(jīng)下降到使D₁正向?qū)?，隨后，變壓器的原邊電壓就被鉗位在一(N_p/N_s)V₀,這時(shí),L_r和C_e進(jìn)行諧振，并利用激磁電流給C_e充電,L_r上的電壓為V_ce－nV_o，諧振電流的下降速率為(V_cr－nV_o)/L_r，為了能實(shí)現(xiàn)S₂的ZVS,S₂必須在諧振電流反向之前觸發(fā)導(dǎo)通；[t₄,t₅]在t₄時(shí)刻,S₂關(guān)斷，并使C_e被迅速?gòu)碾娐分袛嚅_，同時(shí),L_r和C_r構(gòu)成諧振電路，變壓器的原邊電壓仍然被鉗位在－nV_o,值上，當(dāng)L_r上面的電流等于L_m上的電流時(shí),副邊電流減少到零,D₁反向截止,變壓器原邊的電壓開始反向；[t₅,t₆]在t₅時(shí)刻,V_Cr=0,假定儲(chǔ)存在L_r和L_m內(nèi)的能量大于儲(chǔ)存在C_r中鬲能量，則足以使S₁體內(nèi)寄生二極管開通,L_r上電壓鉗位在V_in+(N_p/N_s)V_o值上,這將使D₁中的電流i_D1的下降速率為：

如果在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，S₁被觸發(fā)導(dǎo)通，那么就可以實(shí)現(xiàn)ZVS；在t₆,時(shí)刻，對(duì)于L_m和L_r而言，兩端的電壓V_in使電感上的電流又開始線性上升，當(dāng)i_Lr的值上升到i_Lm的上升值時(shí)，i_D1=0,D₁反偏,V_NP由nV₀變為V_in，隨后，L_m和L_r再次線性充電，并進(jìn)入下一個(gè)開關(guān)周期。

3  開關(guān)電源控制芯片MAX5974

Maxim公司推出的采用有源鉗位架構(gòu)和擴(kuò)頻工作方式的高頻、電流模式PWM控制器MAX5974的有源鉗位架構(gòu)能夠提供大于90%的效率，故可有效降低用電設(shè)備(PD)的同步正向/反激式電源的功耗。MAX5974A/MAX5974C非常適合通用整流離線式(85?265V)或電信(36?72V)輸入電壓。MAX5974B/MAX5974D還可接受低至10.5V的輸入電壓(例如：墻上適配器)。MAX5974的目標(biāo)應(yīng)用包括IP電話、IP攝像機(jī)和無線LAN接入點(diǎn)等以太網(wǎng)供電(PoE)中的用電設(shè)備(PD)應(yīng)用。同時(shí)，MAX5974適用于通用和電信輸入電壓范圍。

MAX5974A/MAX5974B具有內(nèi)部采樣保持誤差放大器，可通過耦合電感調(diào)節(jié)輸出電壓。這種反饋配置省去了偏置電路中的并聯(lián)穩(wěn)壓器、光耦和第三繞組，從而節(jié)省了空間和成本。需要光耦反饋的應(yīng)用可以使用MAX5974C/MAX5974D,這兩款器件具有一路始終連接的反饋輸入。器件的開關(guān)頻率可以在100?600kHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，精度可達(dá)士8%。這就允許設(shè)計(jì)人員對(duì)電路中的磁性和濾波元件進(jìn)行優(yōu)化，以滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)的要求。MAX5974C/MAX5974D器件的占空比可以設(shè)置為最大占空比限制的士8%。該器件的其它特性包括可用于關(guān)斷器件的一路使能輸入以及可避免輸出電壓過沖的可編程軟啟動(dòng)功能。MAX5974A/MAX5974C內(nèi)帶較高滯回的自舉UV-LO電路，需要20V的啟動(dòng)電壓。MAX5974B/MAX5974D的啟動(dòng)電壓為10V?？晒ぷ髟?40°C?+85°C擴(kuò)展級(jí)溫度范圍，器件采用3mmX3mm的16引腳TQFN封裝。

4  結(jié)論

有源鉗位反激變換器具有功率開關(guān)電壓應(yīng)力小、功率開關(guān)與鉗位開關(guān)為ZVS開關(guān)、能降低副邊整流二極管反向恢復(fù)引起的關(guān)斷損耗和開關(guān)噪聲等優(yōu)點(diǎn)，因而在中小功率變換場(chǎng)合具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

本文設(shè)計(jì)并研制成功的電流控制有源鉗位反激變換器具有功率密度高、變換效率高、過載與短路能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。