电源基础：正激电路拓补结构研究

木犯001号

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电源基础：正激电路拓补结构研究

1． 引 言

在各种间接直流变流电路中，正激DC/DC变换器具有电路拓补结构简单，输入输出电气隔离，电压升、降范围宽，易于多路输出等优点，因此被广泛应用于中小功率电源变换场合，尤其在供电电源要求低电压大电流的通讯和计算机系统中，正激电路更能显示其优势。但是在开关关断期间，高频变压器必须磁芯复位，以防变压器铁心饱和，因此必须采用专门的磁复位电路。正是由于磁复位技术的多样性，以及软开关技术的发展，导致正激电路拓补结构的多样性。随着电力电子技术的发展，各种新的正激电路拓补结构不断出现，不同的拓补结构已有二十余种。本文详细阐述了正激电路拓补结构的分类，结构比较，和应用场合，并且分析了软开关技术在正激电路中的应用。

2． 基本电路结构

典型的单开关正激电路如图1所示。

电路的简单工作过程为：开关管S开通后，变压器原边电压上正下负，根据同名端，负边电压也为上正下负，因此二极管D1导通，D2截止，电感电流逐渐增长；S关断后，二极管D2导通，D1截止，电感电流通过D2续流。变压器的励磁电流通过磁复位电路降为零，防止磁芯饱和。

图1 正激电路的原理图

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3． 各种拓补结构的分类及比较
正激电路拓补结构多种多样，大致可以这样分类：根据驱动管子个数，可分为单管正激，双管正激；根据磁芯复位技术的不同，可分为辅助磁通绕组复位，LCD缓冲网络复位，RCD箝位复位，有源箝位复位；根据拓补结构的形式不同，可分为单个变换器和串、并组合变换器。
3．1单管正激与双管正激
单管正激如图1所示。双管正激有两个开关管，其基本结构就比单管正激多一个开关管，原理图如图2所示。

图2 双管正激电路原理图
单管正激在S关断后，开关管承受的电压高于电源电压，双管正激由于有两个开关管，每个开关管承受的关断电压只有单管的一半，因此电压应力大大减小。双管正激电路有很多有点：主管的电压应力小，电路简单，控制方便，电路的动态性能好，可靠性高，不存在桥臂直通，拓宽了电路的功率等级。但是与单管正激相比双管正激因为有两个管子，需要两套驱动装置，因此它的这些有点是以电路复杂性为代价的。
3．2 磁芯复位电路
目前，正激电路磁芯复位技术主要有：辅助磁通绕组复位，LCD箝位复位，RCD箝位复位，有源箝位复位。
辅助磁通绕组复位是一种传统的磁芯复位方法，电路原理图如图3所示，它增加了一个附加线圈，在开关管关断的时候，磁化能量通过辅助磁通绕组回馈到电源，磁化能量无损。但是变压器需要增加一附加线圈，绕制难度加大，同时体积也增大，而且，开关关断后，变压器的漏感将导致大的关断尖峰电压，需要附加抑止尖峰电压电路。占空比不能超过0.5，不适合大功率输出场合。

图3 辅助磁通绕组复位电路
RCD箝位复位电路原理图如图4所示。开关管关断后，磁化能量一部分转移到开关管并联电容Cs中，一部分消耗在箝位电阻R上。与辅助磁通绕组复位相比，RCD箝位复位电路结构简单，开关管关断电压箝位在Uc＋Uin，不会出现尖峰电压，且占空比可以大于0.5，输入电压范围可以很宽。它的缺点是大部分磁化能量消耗在箝位电阻R中，因此适合于廉价、效率要求不太高的功率变换场合。

图4 RCD箝位复位电路
LCD缓冲网络复位电路原理图如图5所示。开关管关断后，磁化能量存储在箝位电容Cc中，开关管关断电压箝位在2Uin，Lc中能量无损地回馈到电源。LCD箝位复位电路结构简单，开关管关断电压箝位固定，避免了尖峰电压；而且不存在耗能元件，属于无损复位，提高了电路变换效率；而且电路地可靠性高，通过选取适合地箝位电路元件值，可以保证电路工作在较宽地负载范围内，且箝位电容Cc的电压值、电感Lc的电流峰值不改变。占空比最大为0.5，输入电压范围受限，因此适合于中等功率高效变换场合。

图5 LCD缓冲网络复位电路
有源箝位复位电路原理图如图6所示。辅助开关VF1用来提供变压器磁化能量的回馈路径。主开关VF关断后，部分磁化能量转移到Cs中，致使VD开通，然后在VF1上加开通信号，实现零电压开通，磁化电流一直下降到负向；VF1关断后，磁化电感与Cs谐振，能量一部分回馈到电源，一部分转移在磁化电感中；然后开通VF，开始新的周期。有源钳位正激变换器具有如下特点：①变压器磁化能量和漏感能量可重复利用；②开关管承受的电压低；③开关管易实现零电压开通，损耗小；④占空比ｄ可大于 0.5，适合于宽输入电压场合；⑤变压器铁心工作在一、三象限双向对称磁化，铁心利用率高，铜损小。不足之处是它多用一个钳位开关，增加了驱动电路难度和变换器成本。

图6 有源箝位复位电路
3．3 组合变换电路
单个变换器有时候不能满足输出高电压、大电流、大功率的应用场合，这时就需要用到组合变换器，组合变换电路是在单个变换器的基础上进行串连、并联、串－并联组合而成的。它可以在单管正激变换器的基础上组合，也可以在双管正激变换器的基础上组合，因此其拓补结构非常丰富。

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4． 软开关技术在正激电路中的应用
传统的正激电路工作在硬开关，当输入电压和开关频率增大时，开关器件的损耗也越来越大。为了提高电路变换的整体效率，有必要使用软开关技术，降低开关损耗，同时减少电磁干扰（EMI）。图7为典型的ZVT-PWM变换器。它是在普通变换器的基础上，配以电感、电容和辅助开关管组成的，使主开关与谐振电容并联，利用电感和电容的谐振实现软开关。其主开关实现了零电压通断，辅助开关为零电流开通、零电压关断。

图7 典型的ZVT-PWM变换器
软开关的实现减少了功率开关器件的开关损耗和电磁噪声，使变换器得以高频高效运行；同时也减小了开关管的电压应力和电流应力。
目前正激变换器也趋向于使用软开关技术，但是开关器件的开通和关断并没有完全实现软开关，主开关和辅助开关没有同时实现软开关，或者其零电压开通和关断很大程度上依赖于电路参数和负载特性。

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5． 结论
本文介绍了几种正激电路的分类方法，对他们的结构特点进行了比较。单管正激电路结构简单，但是承受的电压应力大，双管正激电路复杂，每个管子承受电压只有单管的一半，因此应用的功率等级范围大。在磁芯复位方法上，辅助磁通绕组复位电路复杂； RCD箝位复位电路简单，输入电压范围大，但是损耗大，变换效率低；LCD缓冲网络复位电路简单，变换效率高，但输入电压受限；有源箝位复位，开关管承受应力不大，磁芯利用效率高，电压输入范围也宽，且可以实现软开关，损耗低，但是多一个功率管，增加了驱动和控制电路的复杂性。组合变换电路是在单管或者双管单个变换电路的基础上，组合而成的，多用于高电压、大电流、大功率需求场合。软开关变换器，开关管实现了软开关，且能够保持恒频运行，不可能同时存在高电压和大电流，开关所受的应力和损耗最小，且开关噪声低，是正激电路研究的方向，有很大的应用前景，尤其在高压高频场合更能发挥其优势。

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6． 预期的研究方向
目前，正激电路拓补结构的研究比较成熟，各种电路拓补结构似乎也很完备，因此它的一个发展方向就是顺应集成电路的发展，向少元件、少损耗、少EMI、小型化、轻型化的方向发展；另外，研制满足微电子系统的低电压、大电流要求的变换器，以及运用组合变换方式，研制满足高电压、大电流应用场合的高效、高可靠性变换器也是一个发展方向。