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第2章 有源箝位正激变换器的工作原理

2.1 有源箝位正激变换器拓扑的选择

单端正激变换器具有结构简单、工作可靠、成本低廉、输入输出电气隔离、易于多路输出等优点，因而被广泛应用在中小功率变换场合。但是它有一个固有缺点：在主开关管关断期间，必须附加一个复位电路，以实现高频变压器的磁复位，防止变压器磁芯饱和[36]。传统的磁复位技术包括采用第三个复位绕组技术、无损的LCD箝位技术以及RCD箝位技术。这三种复位技术虽然都有一定的优点，但是同时也存在一些缺陷[37-39]。

(1)第三复位绕组技术 采用第三个复位绕组技术正激变换器的优点是技术比较成熟，变压器能量能够回馈给电网。

它存在的缺点是：第三复位绕组使得变压器的设计和制作比较复杂；变压器磁芯不是双向对称磁化，因而利用率较低；原边主开关管承受的电压应力很大。

(2)RCD箝位技术 采用RCD箝位技术正激变换器的优点是电路结构比较简单，成本低廉。

它存在的缺点是：在磁复位过程中，磁化能量大部分都消耗在箝位网络中，因而效率较低；磁芯不是双向对称磁化，磁芯利用率较低。

(3) LCD箝位技术 采用无损的LCD箝位技术正激变换器的优点是磁场能量能够全部回馈给电网，效率较高。

它存在的缺点是：在磁复位过程中，箝位网络的谐振电流峰值较大，增加了开关管的电流应力和通态损耗，因而效率较低；磁芯不是双向对称磁化，磁芯利用率较低。

而有源箝位正激变换器是在传统的正激式变换器的基础上，增加了由箝位电容和箝位开关管串联构成的有源箝位支路，虽然与传统的磁复位技术相比，有源箝位磁复位技术增加了一个箝位开关管，提高了变换器的成本，但是有源箝位磁复位技术有以下几个优点：

(1)有源箝位正激变换器的占空比可以大于0.5，使得变压器的原副边匝

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比变大，从而可以有效地减少原边的导通损耗；

(2)在变压器磁复位过程中，寄生元件中存储的能量可以回馈到电网，有利于变换器效率的提高；

(3)变压器磁芯双向对称磁化，工作在B-H回线的第一、三象限，因而有利于提高了磁芯的利用率；

(4)有源箝位正激变换器的变压器原边上的电压是是有规律的方波，能够为副边同步整流管提供有效、简单的自驱动电压信号，因而大大降低了同步整流电路的复杂度。

LrLmN1:N2CcVT3VT1D1CrVT2D2VT4LoCoos4VinCoos3D3D4CoR 图2-1 低边有源箝位电路 Fig. 2-1 Low-Side active clamp circuit

LrCcLmCoos3D3N1:N2VinVT2VT3VT4D4LoCoos4CoRVT1D1Cr

图2-2 高边有源箝位电路 Fig. 2-2 High-Side active clamp circuit

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图2-1和图2-2是两种有源箝位正激变换器电路，这两种电路虽然看上去非常相似，但在工作细节的具体实现上还是存在着不少差别[40]。本设计采用的是如图2-1所示的低边箝位电路。在此对这两种电路的不同点做一个简要的分析。

(1)箝位电路的构成 如图2-1所示的有源箝位电路由一个P沟道功率MOSFET和一个箝位电容串联组成，并联在主功率开关管的两端，一般称之为低边箝位电路。如图2-2所示的有源箝位电路由一个N沟道功率MOSFET和一个箝位电容串联组成，并联在变压器的两端，称之为高边箝位电路。

这两种电路之所以选用的功率MOSFET的沟道不同，主要是因为其内部体二极管的导通方向不同。对于相同的电压和相同的模片区域，P沟道功率MOSFET比N沟道功率MOSFET的通态电阻要更高，通态损耗要更大，而且价格也要更贵。

(2)箝位电容上的电压 忽略电路中漏感的影响，根据变压器一次侧绕组两端伏秒积平衡的原理，可以得到低边箝位电路中箝位电容电压表达式为：

Vc?Vin 1?D(2-1)

Vc的表达式和升压式(Boost)变换器的输出电压表达式一由式(2-1)可知，

样，因而图2-1所示的电路又称为升压式箝位电路。

同理，可以得到高边箝位电路中箝位电容电压：

Vc?DVin 1?D(2-2)

Vc的表达式和反激(Flyback)变换器的输出电压表达式一由式(2-2)可知，

样，因而图2-2所示的电路又称为反激式箝位电路。

(3)栅极驱动的实现方法 箝位电路选择的不同，对箝位开关管的栅极驱动的要求也就不同。

对于高边箝位电路中的箝位开关管的驱动来说，箝位开关管VT2要采用浮驱动，因而需要通过高边栅驱动电路或一个专用的门极驱动变压器来实

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