單端變換器的磁復位技術

使用單端隔離變壓器之后，變壓器磁芯如何在每個脈動工作磁通之后都能恢復到磁通起始值，這是產生的新問題，稱為去磁復位問題。因為線圈通過的是單向脈動激磁電流，如果沒有每個周期都作用的去磁環節，剩磁通的累加可能導致出現飽和。這時開關導通時電流很大;斷開時，過電壓很高，導致開關器件的損壞。

剩余磁通實質是磁芯中仍殘存有能量，如何使此能量轉移到別處，就是磁芯復位的任務。具體的磁芯復位線路可以分成兩種：

1）一種是把鐵芯殘存能量自然的轉移，在為了復位所加的電子元件上消耗掉，或者把殘存能量反饋到輸入端或輸出端；

2）另一種是通過外加能量的方法強迫鐵芯的磁狀態復位。具體使用那種方法，可視功率的大小、所使用的磁芯磁滯特性而定。

在磁場強度H為零時，磁感應強度的多少是由鐵芯材料決定。圖a的剩余磁感應強度Br比圖b小，圖a一般是鐵氧體、鐵粉磁芯和非晶合金磁芯，圖b一般為無氣隙的晶粒取向鎳鐵合金鐵芯。

對于剩余磁感應強度Br較小的鐵芯，一般使用轉移損耗法。轉移損耗法有線路簡單、可靠性高的特點。對于剩余磁感應強度Br較高的鐵芯，一般使用強迫復位法。強迫復位法線路較為復雜。

簡單的損耗法磁芯復位電路是由一只穩壓管和二極管組成，穩壓管和二極管與變壓器原邊繞組或和變壓器副邊繞組并聯，磁芯中殘存能量由于穩壓管反向擊穿導通而損耗，它具有兩種功能，既可以限制功率開關管過電壓又可以消除磁芯殘存能量。在實際應用中由于變壓器從原邊到副邊的漏電感(寄生電感)存在，這個電感中也有存儲的能量，因此一般把穩壓管和二極管與變壓器原邊繞組并聯連結。這種電路只適用于小功率變換器中。

幾種磁復位方式

三繞組復位法、RCD復位、有源鉗位、雙管正激。

1.三繞組復位法

優點：

技術成熟可靠，磁化能量可無損地回饋到直流電網中去。

缺點：

附加的磁復位繞組使變壓器的結構和設計復雜化。

開關管關斷時，變壓器漏感引起的關斷電壓尖峰需要RC緩沖電路來抑制，尤其是變壓器滿載時；

開關管承受的電壓與輸入直流電壓成正比，當變壓器工作在寬輸入電壓范圍時，必須采用高壓功率MOSFET,而高壓功率MOSFET的導通電阻較大，從而導致導通損耗較大；

Uin=Uinmax時，占空比d=dmin很小，不易于大功率輸出。

2.RCD復位

Cs：晶體管輸出電容、鉗位二極管結電容、折算到原邊的整流二極管結電容和變壓器繞組電容之和。

t=t0～t1期間，開關管導通變壓器上的磁化電流增加；t=t1時VM 關斷，隨后以負載折算到原邊的電流Io/n給Cs線性充電；

t=t2時開始磁復位，Cs與Lm諧振使得磁化電感能量有一部分轉移到Cs 中去，剩余的磁化電感能量和變壓器漏感能量消耗在鉗位電阻R中；

t=t3時開始磁復位，Cs與Lm諧振使得磁化電感能量有一部分轉移到Cs 中去，剩余的磁化電感能量和變壓器漏感能量消耗在鉗位電阻R中；

在t=t4～t5期間，Cs中儲存的能量傳遞到磁化電感Lm中去。

可推導出鉗位電壓為：

① Uc與Uin無關；

②增大Lm可降低Uc；

③ 增加Cs，可降低Uc；這可通過在VM漏源兩端外并電容來實現.但這卻增加了功率開關的容性開通損耗；

④減小源副邊總漏感L1k可降低Uc，這是降低鉗位電壓的關鍵因素。

優點：

磁復位電路簡單；

功率開關電壓較低；

占空比d可大于0.5,適用于寬輸入電壓場合。

缺點：

大部分磁化能量消耗在鉗位電阻中。因此，它廣泛應用于價廉、效率要求不太高的功率變換場合。

3.有源鉗位

為了簡化分析，假設輸出濾波電感L和鉗位電容Ccl足夠大，因此可將它們分別作為電流源和電壓源處理。變壓器用磁化電感Lm 、原副邊總漏感L1k和變比為n：1的理想變壓器表示。每個開關周期分為七個區間，原理波形如下圖所示。

t=t0時，功率開關VM開通。VDC與VD2截止，VD1開通；

t=t1時，功率開關VM關斷，以Io/n對電容Cs充電，使得UDs增大；

t=t2時，UDs=Uin ，VD1關斷，VD2開通，磁化電流對C2 充電.即 Lm與Cs 諧振，部分磁化能量轉移到Cs中去；

t=t3時，UDs=Uin +Uc1，VDC開通.i m以-Uc1/Lm 斜率下降，一直到t4 時刻為零，鉗位開關VMC 應在t3～t4 期間加上開通信號；

t=t4時，im開始變負，VMc 實現了零電壓開通，i m仍以一Ucl/L m斜率下降，鐵心工作在第三象限；

t=t5時，VMc關斷，Lm與Cs開始諧振，C s以負的磁化電流放電，能量回饋到電網及轉移到磁化電感中去；

t=t6時，UDS下降到Uin，VD1開通，為i m在副邊續流提供了通路；

t=t7 時，VM再次開通，開始了另一周期。由此可見，鉗位開關VM 實現了零電壓開關(ZVS)，功率開關VM 實現了零電壓關斷，但非零電壓開通。

優點：

變壓器磁化能量和漏惑能量可重復利用；

可利用低壓功率MOSFET和二極管；

ZVT-PWM工作方式；

占空比d可大于0.5；

變壓器鐵心工作在一、三象限雙向對稱磁化，鐵心利用率高，銅損小

缺點：

多用一個鉗位開關，增加了驅動電路難度和變換器成本。

4.雙管正激

優點：

加于每個MOSFFT的最大電壓僅為VDD。

減少了干擾尖峰，有利于減小了應力和噪聲

可以有效地避免誤觸發引起的短路故障。

缺點：

需要更多的開關器件，增加了成本。

電路中過多的器件可能降低效率，但可以通過使用低

額定電壓的MOSFET降低電阻RDS(on)來提高效率。

占空比小于50%，受開關頻率的限制。