ACF反激电路工作原理

有源钳位反激电路工作原理1、前言传统的硬开关反激变换器功率开关管电压、电流应力大，变压器的漏感引起电压尖峰，必须采用无源RCD吸收电路进行箝位限制，RCD吸收电路的电阻R产生额外的功率损耗，降低系统效率，如图1所示。如果将RCD吸收电路的电阻R去掉，同时将二极管换成功率MOSFET，这样就变成了有源箝位反激变换器，通过磁化曲线在第一、第三象限交替工作，将吸收电路的电容Cc吸收的电压尖峰能量，回馈到输入电压，从而实现系统的正常工作。2、有源箝位反激变换器工作原理非连续模式DCM有源箝位反激变换器电路结构及相关波形如上所示，图中的各个元件定义如下：Lm：变压器初级激磁电感Lr：变压器初级漏感Lp：变压器初级总电感，Lp=Lm+Lrn：变压器初级和次级的匝比，n=Np/NsQ1：主功率开关管，DQ1、CQ1为Q1寄生体二极管和寄生输出电容Cc1：Cc1=Cc+CQ1+CtoQc：箝位开关管，DQc、CQc为Qc寄生体二极管和寄生输出电容Do：次级输出整流二极管Cc：箝位电容Cr：CQ1、CQc以及其它杂散谐振电容Cto总和，Cr=CQ1+CQc+CtoVsw：Q1的D、S两端电压Vin：输入直流电压Vo：输出直流电压Vc：箝位电容3、有源箝位反激变换器开关周期时序分解每个开关周期根据其工作状态可以分为8个工作状态，各个工作模式的状态及等效电路图分别讨论如下：图2：有源箝位反激变换器波形(非连续模式DCM)(1)模式1：t0-t1在t0时刻，Q1处于导通状态，Qc、Do保持关断状态。Lp两端所加的电压为Vin，上端为Vin，下端为0V电位。Lp激磁，其电流从0开始，随着时间线性上升。磁芯内磁通量Ø与激磁电流成正比，随着时间线性上升。副边电感反向截止，整流二极管反向电压为-(Vin/n+Vo)。图3：模式1(Q1导通，Qc、Do关断)(2)模式2：t1-t2在t1时刻，Q1关断，Qc、Do保持关断状态。Q1关断后，Lp和Cr谐振，激磁电流对1QC充电，对QCC放电，Vsw电压谐振上升。在t1-t2中间某一时刻tm，对应的Vsw电压为Vin，Lp所加电压为0V：①t1-tm期间，Lp所加电压为正(Vin-Vsw)，其电流（Lmi）谐振上升，但是上升斜率变得缓慢（LpV减小）。②tm-t2期间，从tm时刻开始，Lp所加电压为负（Vin-Vsw），其电流谐振下降。磁芯磁通减小，副边电感感应电动势反向，但电压小于Vo，Do未导体。图4：模式2(Q1、Qc、Do关断)(3)模式3：t2-t3在t2时刻，Vsw的电压谐振上升到Vin+VC，VC=n•Vo，二极管DQc自然导通，Q1、Do保持关断状态。DQc导通后，Lp和Cc1谐振，激磁电流同时对Cc、CQ1充电，Vsw电压、VC电压谐振上升，Lp的电流继续谐振下降。初级绕组电压：VLm=VC•Lm/(Lr+Lm)此过程中，VLm电压小于n•Vo，VLs小于Vo，Do不导通。在t2-t3期间任一时刻，开通Qc，由于DQc处于导通状态，Qc两端电压为0，因此Qc的开通就是零电压开通ZVS。图5：模式3(DQc导通，Q1、Do关断；QQc零电压开通ZVS)(4)模式4：t3-t4在t3时刻，VLm电压谐振上升到n•Vo时，Do导通，Qc保持导通状态，Q1保持关断状态。Do导通后，Lm两端电压箝位在n•Vo，Lm储存能量转移到次级绕组，向输出负载传送，其电流线性下降;同时，Lr和Cc1谐振，Lr的电流同时对Cc、CQ1充电，Vsw电压、VC电压继续谐振上升，Lr的电流谐振下降。图8：模式4(QQc、Do导通，Q1关断)(5)模式5：t4-t5在t4时刻，Lr的电流谐振下降到0，Do、Qc保持导通状态，Q1保持关断状态。Lr的电流下降到0后，Lr和Cc1反向谐振，就是Cc对Lr反向激磁，Cc、CQ1放电，Vsw电压、VC电压谐振下降，Lr的电流从0开始反向谐振上升，到达反向的最大值后继续谐振，其反向电流的绝对值下降，而Lm继续向输出负载释放能量，电流保持线性下降。图9：模式5(QQc、Do导通，Q1关断)(6)模式6：t5-t6在t5时刻，Lm的电流降低为0，Lm电感储存能量全部释放完毕，Do自然关断，Qc保持导通状态，Q1保持关断状态。Do关断后，输出反射电压n•Vo断开，此时，Lm又重新串联进入到谐振回路，Lp和Cc1谐振，Vc电压反向加在Lp，Cc放电对Lp反向激磁，Lm的电流过0后和Lr一起继续反向增加。在Do关断瞬间，Lr的电流有一个高频振荡换流的过程，在这个过程中，Lr的电流快速下降到几乎为0、和Lm电流相等的过程，其中一部分能量转送到输出负载，另一部分能量转移到Lm。图10：模式6(QQc导通，Q1、Do关断)(7)模式7：t6-t7在t6时刻，关断Qc，Do、Q1保持关断状态。Qc关断后，Lp和Cr谐振，Lp的电流对CQc充电，对CQ1放电。在t6-t7中间某一时刻tn，对应的Vsw电压为Vin：①t6-tn期间，Lp所加电压为负，其电流谐振下降，其反向电流的绝对值进一步增加。②tn-t7期间，从tn时刻开始，Lp所加电压为正，其电流谐振上升，其反向电流的绝对值降低。图11：模式7(QQc、Q1、Do关断)(8)模式8：t7-t0在t7时刻，CQ1放电到0，Vsw电压为0，D1自然导通续流，将Vsw电压箝位到0，Do、Qc保持关断状态。D1导通后，Lp两端所加的电压为Vin，Lp的电流从负值线性上升，其电流绝对值进一步降低，直到降低为0，完成一个开关周期。然后，Lp的电流继续正向激磁，从0开始正向线性上升，开始下一个开关周期。在t7-t0期间任一时刻，开通Q1，由于D1处于导通状态，其两端电压为0，因此Q1的开通就是零电压开通ZVS。图12：模式8(D1导通，Q1、Do关断；；；Q1零电压开通ZVS)4、说明讨论(1)有源箝位软开关反激变换器工作于非连续模式DCM，因此每个周期初级激磁电感的电流要到0。主功率开关管Q1和箝位开关管Qc配置成半桥的电路结构，只有当Q1(Qc)的寄生体二极管先导通，然后再开通Q1(Qc)，才能实现零电压软开关ZVS。(2)从工作原理可以看到，当Q1关断后开始谐振转换时，谐振环每次只换一个元件，依次的顺序为：Lp/Cr--Lp/Cc1--Lr/Cc1--Lp/Cc1--Lp/Cr(3)只要Lp加正电压，起始电流为正，其电流线性增加;起始电流为负，其电流绝对值线性降低;只要Lp上加负电压，起始电流为正，其电流线性下降;起始电流为负，其电流绝对值线性增加。Lp所加的电压有发生正、负转换时，Lp电流的斜率也发生改化。(4)Lp的负电流的能量并没有传输到输出，它只是为了实现Q1的零电压关断，因此，Lp的负电流形成环流，在变压器中产生铜损、铁(磁)损，同时在回路的电阻中产生导通损耗，影响系统的效率，因此要精确的控制Lp的负电流的大小。在t7时刻，当Vsw电压为0时，若Lp的电流也为0，其效率最高，实际上这样的条件很难精确的控制。(5)由于CcCQ1+Cto，因此，Cc1==Cc。相对于开关周期，t1-t2、t2-t3时间非常短。Cc电容足够大，其纹波可以忽略，因此，t1-t6期间，Vsw的电压可以看成基本不变的平台，如下图所示，图中还标出了开关元件导通的顺序、谐振元件依次改变的顺序。输出二极管换成MOSFET，则为次级同步整流。为了方便驱动，可以将同步MOSFET放在低端，如图所示。图14：次级同步整流其他资料介绍：