ZVS軟開關(guān)反激變換器的工作原理分析

1、前言

反激變換器是一種常用的電源結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于中小功率的快充及電源適配器。高功率密度的ZVS軟開關(guān)反激變換器除了有源箝位反激變換器，還有另一種結(jié)構(gòu)，其利用輸出反灌電流，實(shí)現(xiàn)初級(jí)主功率MOSFET零電壓開通，電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示，和傳統(tǒng)的采用同步整流的反激變換器完全相同，只是控制的方式不一樣，工作的原理分析如下。

圖1：輸出反灌電流零電壓軟開關(guān)反激變換器

圖2：輸出反灌電流零電壓軟開關(guān)反激變換器波形

2、工作原理

每個(gè)開關(guān)周期根據(jù)其工作狀態(tài)可以分為8個(gè)工作模式，各個(gè)工作模式的狀態(tài)及等效電路圖分別討論如下，其中，模式1-5和傳統(tǒng)的反激變化器工原理相同。

Lm：變壓器初級(jí)激磁電感

Lr：變壓器初級(jí)漏感

Lp：變壓器初級(jí)總電感，Lp=Lm+Lr

n：變壓器T初級(jí)和次級(jí)的匝比，n=Np/Ns

Q1：主功率開關(guān)管，DQ1、CQ1為Q1寄生體二極管和寄生輸出電壓

Qs：次級(jí)同步整流管

Dc：箝位吸收電路二極管

Cc：箝位吸收電路電容

Cr：CQ1、Dc以及其它雜散諧振電容Ct總和，Cr=CQ1+CDc+Ct

Cc1：Cc1=Cc+CQ1+Ct

Vsw：Q1的D、S兩端電壓

Vin：輸入直流電壓

Vo：輸出直流電壓

Vc：箝位電容電壓

模式1：t0-t1

Q1開通，Qs保持關(guān)斷狀態(tài)。變壓器初級(jí)電感Lp在輸入電壓的作用下正向激磁，其電流隨時(shí)間線性上升：Lp?diLp/dt=Vin。

圖3：模式1（Q1開通，Qs關(guān)斷）

模式2：t1-t2

在t1時(shí)刻，Q1關(guān)斷，Qs保持關(guān)斷狀態(tài)。Q1關(guān)斷后，Lp和Cr諧振，Vsw的電壓諧振上升。

圖4：模式2（Q1關(guān)斷，Qs關(guān)斷）

模式3：t2-t3

在t2時(shí)刻，Vsw的電壓上升到Vin+Vc時(shí)，Dc自然導(dǎo)通，Q1、Qs保持關(guān)斷狀態(tài)。Dc導(dǎo)通后，Vc和Vsw的電壓繼續(xù)諧振上升。

圖5：模式3（Dc導(dǎo)通，Q1關(guān)斷，Qs關(guān)斷）

模式4：t3-t4

在t3時(shí)刻，VLm電壓諧振上升到n?Vo時(shí)，Qs導(dǎo)通，Q1保持關(guān)斷狀態(tài)。Qs導(dǎo)通后（Qs的寄生體二極管先導(dǎo)通，然后Qs導(dǎo)通后），Lm兩端電壓箝位在n?Vo，Lm儲(chǔ)存能量通過次級(jí)繞組向輸出負(fù)載傳送，其電流線性下降。

Lr和Cc1諧振，Lr的電流同時(shí)對(duì)Cc、CQ1充電，Vsw、Vc的電壓繼續(xù)諧振上升；同時(shí)，Lr的電流諧振下降，將其儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)化到Cc、CQ1中。相對(duì)于Cc值，CQ1的電容值較小，因此，漏感Lr的能量主要由Cc吸收。

圖6：模式4（Dc導(dǎo)通，Qs導(dǎo)通，Q1關(guān)斷）

模式5：t4-t5

在t4時(shí)刻，Lr的電流諧振下降到0，Dc自然關(guān)斷，Qs保持導(dǎo)通狀態(tài)，Q1保持關(guān)斷狀態(tài)。Dc關(guān)斷后，Vsw電壓諧振下降到Vin+n?Vo，Lm繼續(xù)向輸出負(fù)載釋放能量，電流保持線性下降。

圖7：模式5（Qs導(dǎo)通，Q1關(guān)斷，Dc關(guān)斷）

模式6：t5-t6

在t5時(shí)刻，Lm的電流下降到0，Qs保持導(dǎo)通狀態(tài)，Dc和Q1保持關(guān)斷狀態(tài)。Lm的電流下降到0后，次級(jí)繞組的電流也下降到0，由于Qs保持導(dǎo)通，輸出電壓對(duì)次級(jí)繞組反向激磁，也就是形成輸出反灌電流。初級(jí)繞組在箝位電路的作用下外于反向偏置，次級(jí)反向激磁的能量無法向初級(jí)轉(zhuǎn)送，因此能量?jī)?chǔ)存在次級(jí)繞組的電感中。

圖8：模式6（Qs導(dǎo)通，Q1關(guān)斷，Dc關(guān)斷）

模式7：t6-t7

在t6時(shí)刻，關(guān)斷Qs，Dc和Q1保持關(guān)斷狀態(tài)。Qs關(guān)斷后，次級(jí)繞組儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到初級(jí)繞組中，向輸入回路釋放能量，將能量回饋到輸入電源，Lp和Cr諧振，此時(shí)Q1的寄生電容放電，Vsw的電壓下降。

圖9：模式7（Qs關(guān)斷，Q1關(guān)斷，Dc關(guān)斷）

模式8：t7-t0

在t7時(shí)刻，Vsw的電壓下降到0，Q1的寄生體二極管導(dǎo)通，將Vsw的電壓箝位到0，Qs和Dc保持關(guān)斷狀態(tài)。Lp的反向負(fù)電流在輸入電壓的作用下繼續(xù)下降，也就是繼續(xù)向輸入電源回饋能量，直到其電流過0后，在輸入電壓的作用下正向激磁，Lm的電流從0開始，隨時(shí)間線性上升，進(jìn)入下一個(gè)開關(guān)周期。

圖10：模式8（D1關(guān)斷，Qs關(guān)斷，Dc關(guān)斷）

在此過程中任一時(shí)刻開通Q1，Vsw的電壓為0，因此Q1的開通就是零電壓開通ZVS。

圖11：Q1零電壓ZVS開通

3、說明

（1）這種結(jié)構(gòu)保留著無源RCD吸收電路，和有源箝位反激變換器相比，效率稍低，但是其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，更適命較低功率的應(yīng)用。這種結(jié)構(gòu)的變換器工作于非連續(xù)模式DCM，因此每個(gè)周期初級(jí)激磁電感的電流要到0。

（2）主功率MOSFET管只有在其寄生電容的電壓放電到0、體二極管導(dǎo)通后，再開通，才能現(xiàn)零電壓軟開關(guān)ZVS工作，這也是所有零電壓ZVS軟開關(guān)工作的特性。

（3）由于變壓器的匝比關(guān)系，以及次級(jí)繞組電感較小，實(shí)現(xiàn)主功率MOSFET管零電壓軟開關(guān)ZVS工作的輸出反灌電流的大小不容易精確控制，輸出反灌電流太小，不能實(shí)現(xiàn)其零電壓的開通；反灌電流太大，產(chǎn)生較大的損耗。

（4）輸出反灌電流的能量并沒有傳輸?shù)捷敵?，它只是為了?shí)現(xiàn)Q1的零電壓關(guān)斷，因此，在初級(jí)和次級(jí)之間來回往復(fù)形成環(huán)流。環(huán)流在變壓器的繞組和磁芯中產(chǎn)生額外的銅損、鐵（磁）損，同時(shí)在回路電阻產(chǎn)生導(dǎo)通損耗，影響系統(tǒng)的效率。反灌電流過大，效率會(huì)降低。

（5）初級(jí)主功率MOSFET和次級(jí)同步整流功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序在各種條件下必須精度控制，否則會(huì)產(chǎn)生初級(jí)和次級(jí)的短路直通，導(dǎo)致系統(tǒng)損壞。