一种实现全负载范围ZVS的有源钳位反激变换器

简介：
本研究提出了一种创新性的有源钳位反激变换器设计，能够在整个负载范围内确保零电压开关（ZVS），从而提高效率并减少电磁干扰。 有源箝位反激变换器是一种改进型的DC-DC转换器设计，旨在解决传统反激变换器中存在的问题。传统反激变换器由于变压器同时作为电感使用，导致较大的漏感，在开关管关断时产生电压尖峰和电磁干扰（EMI）等问题。 为了解决这些问题，引入了有源箝位电路，如图1所示，它在原有设计基础上增加了一个有源箝位电容(Cc)，能够将存储于变压器的漏感能量反馈到输出端。这种改进的主要优点包括： - **电压箝位**：有效降低开关管（例如S1、S2）上的电压应力，并防止产生尖峰。 - **软开关(ZVS)**：主开关和辅助开关能够在零电压条件下切换，减少损耗，尤其适用于高压输入环境，在限制dv/dt和di/dt的同时也降低了EMI问题。 - **副边整流二极管的零电流关断**：通过调整箝位电容值可以实现二极管反向恢复期间降低开关损耗及噪声。 有源箂位反激变换器有两种工作状态，即连续导通模式（CCM）和不连续导通模式（DCM）。在CCM状态下，变压器原边的磁化电流始终大于零；而在DCM情况下，则可能出现断续甚至反向的情况。本段落详细探讨了CCM的工作原理及设计注意事项。 为了在整个负载范围内实现软开关性能的一致性并保持EMI稳定，我们提出了一种优化的设计方案。这种优化后的变换器能够在全工作范围保证软开关特性，并且减少了对EMI滤波的需求。 通过图1和图2所示的电路结构及其五个模式（Mode 1至 Mode 5）的工作原理分析可以看出，在每个模式中通过精确控制开关管的操作以及谐振元件的合作，实现了能量的有效转移与电压箝位。例如在Mode 2时Lm和Lr与Cr形成共振给Cc充电；而在Mode4期间当D1导通后，Lr和Cc的组合进一步为Cc充电实现S2的ZVS。 实验结果表明，在一个功率输出达到100W、频率为100kHz的情况下，优化后的有源箝位反激变换器不仅表现出高效特性而且在整个负载范围内均能保持良好的软开关性能。这不仅提升了转换效率和稳定性，还显著降低了EMI干扰问题，对电源系统的设计提供了宝贵的参考价值。