有源箝位ZVSPWM控制串聯諧振變換器中提高同步整流效率的研究

摘要：最近，對帶有同步整流電路的有源箝位ZVS－PWM控制串聯諧振變換器的研究和應用不斷取得進展。不過，當輸入電壓偏離特定值時，其效率會嚴重下降。通過對其各種工作模態轉換的分析，闡明了效率下降的原因。為解決這種效率下降，使用了帶有分立電感和耦合電感的倍流型同步整流電路模型，并分析了其穩態特性。通過實驗，比較了中心抽頭型和耦合電感型效率變化曲線。最后，通過分析和比較，得出結論。提出了一個整流電路，在較大輸入電壓范圍內和低輸出電壓，大輸出電流的負載條件（3.3V,5A）下獲得了85％的較高效率。

關鍵詞：有源箝位；串聯諧振；同步整流EfficiencyImprovementofSynchronousRectifierina

ZVSPWMControlledSeriesResonantConverterwithActiveClamp

1引言

開關變換器在很多電子和通信設備的電源中得到廣泛應用。近來，低輸出電壓和大輸出電流的負載條件對開關變換器提出了新的要求。為了滿足這些要求，很多類型的諧振變換器已被提出和利用。然而，這些變換器的輸出電壓通常由開關調制頻率所控制。因此，這導致了諸如最小開關頻率限制了輸出濾波電容減小等問題。為了消除這些限制，一種新穎的帶有源箝位電路ZVS－PWM控制的電流模式諧振變換器被提了出來[1，2]。這種變換器工作在一個固定的開關頻率，其輸出電壓通過主開關管的PWM控制信號來調節。其穩態特性和ZVS條件在相關文獻中有詳細的討論[3～5]。但是，這種變換器在特定的輸入電壓下有較高的效率，當輸入電壓偏離特定值時，效率會嚴重下降。

本文通過對這種變換器的各個工作模態轉換的分析，說明了其效率下降的原因。通過分析可以說明，當輸入電壓偏離特定值時，發生了環流現象，導致了能量的回饋，效率下降。為解決這種問題，使用了一種倍流型同步整流電路，它帶有分離電感或耦合電感兩種方案。這種整流電路在較大輸入電壓范圍和低輸出電壓、大輸出電流的情況下獲得了85％的效率。

2帶中心抽頭同步整流ZVSPWM控制的串

聯諧振變換器

帶中心抽頭同步整流ZVSPWM控制的串聯諧

圖1具有中心抽頭同步整流電路的有源箝位ZVSPWM控制串聯諧振變換器

圖2圖1所示變換器的關鍵波形

有源箝位ZVSPWM控制串聯諧振變換器中提高同步整流效率的研究

振變換器的電路拓撲如圖1所示，其重要參量的波形見圖2。電路設計參數值見表1。

表1變換器參數值Vin48V
CA1μF
LA73μH
S1,S2IRF540
Lr23.76μH
Cr33.4μF
諧振頻率(1/2π)(LrCr)－1/2178kHz
開關頻率fs200kHz
匝比n13
S3,S4MTP13N50/
Co220μF
圖2中，有源箝位電路和主開關管產生方波電壓，其幅度隨主開關管的占空比變化。這一幅度調制輸入電壓被加在由Lr和Cr組成的串聯諧振電路上。開關頻率被選在稍高于諧振頻率處。由于串聯諧振電路有一很高的品質因數，所以，電流的基波部分通過諧振支路，而諧波部分會被大大抑制。這樣，基波部分通過變壓器被輸出電路整流和濾波。開關管S1和S2在留有一定的死區時間后交替導通。在死區時間內，S1和S2的寄生電容通過諧振電流Ir和電感LA磁化電流被充電和放電而實現ZVS工作。

如果以D表示主開關管S1的占空比，把輸出級和負載電阻RL看作一等效AC電阻RAC=8RL/π，輸出電壓Vo為Vo=(1)

式中：Zr=(nRAC＋Rr)2＋[ωsLr－1/(ωsCr)]2

ωs=2πfs;（2）

Rr是串聯諧振支路中的寄生串聯電阻。

在此變換器中，最大效率88.6％是在輸入電壓為48V的時候獲得的。然而，當輸入電壓偏離48V的時候，效率會嚴重下降。

3效率下降原因分析

31變換器的工作狀態

圖3給出了變換器所有可能的工作模態。表2給出了在一個開關周期里的所有可能的工作模式和每一模式中模態轉換次序。在圖3中，模態1和模態3表示能流從輸入端傳送到輸出端。模態2和模態4對應于在模態1和模態3之間的過渡狀態。模態5和模態6表示能流從輸出電容反饋到輸入端。這種能流回饋狀態是同步整流所特有的。在二極管整流電路中，只有能流前饋，即能量從輸入端流到輸出邊的狀態，而沒有能流回饋狀態，即能量從輸出端回流到輸入端。然而，在用MOSFET作同步整流的電路中，當柵源電壓vgs大于閾值時，MOSFET會一直保持開通。因此，圖3中模態5及模態6能量回饋的現象出現了。環流增加了能量損耗，導致效率的下降。產生環流的波形如圖4所示。

32占空比D的范圍

能流回饋現象依賴于主開關管的占空比。于是，抑制能流回饋現象出現的合適占空比即是在模式Ⅱ中，必須在模態5出現之前直接從模態3到模態4。據這一條件，則模態3必須在1/（2fr）內完成，即必須在一半諧振周期內完成模態3。fr由Lr，Cr決定，若開關周期由Ts表示，則這一關系由下式表示

(a)模態1