零電壓軟開關有源鉗位正激變換器拓撲非常適合中小功率開關電源的設計。增加變壓器勵磁電流或應用磁飽和電感均能實現零電壓軟開關工作模式。基于對零電壓軟開關有源鉗位正激變換器拓撲的理論分析，提出了一套實用的優化設計方法。實驗結果驗證了理論分析和設計方法。

1  引言

單端正激變換器拓撲以其結構簡單、工作可靠、成本低廉而被廣泛應用于獨立的離線式中小功率電源設計中。在計算機、通訊、工業控制、儀器儀表、醫療設備等領域，這類電源具有廣闊的市場需求。當今，節能和環保已成為全球對耗能設備的基本要求。所以，供電單元的效率和電磁兼容性自然成為開關電源的兩項重要指標。而傳統的單端正激拓撲，由于其磁特性工作在第一象限，并且是硬開關工作模式，決定了該電路存在一些固有的缺陷：變壓器體積大，損耗大；開關器件電壓應力高，開關損耗大；dv/dt和di/dt大，EMI問題難以處理。

為了克服這些缺陷，文獻[1][2][3]提出了有源鉗位正激變換器拓撲，從根本上改變了單端正激變換器的運行特性，并且能夠實現零電壓軟開關工作模式，從而大量地減少了開關器件和變壓器的功耗，降低了dv/dt和di/dt，改善了電磁兼容性。因此，有源鉗位正激變換器拓撲迅速獲得了廣泛的應用。

然而，有源鉗位正激變換器并非完美無缺，零電壓軟開關特性也并非總能實現。因而，在工業應用中，對該電路進行優化設計顯得尤為重要。本文針對有源鉗位正激變換器拓撲，進行了詳細的理論分析，指出了該電路的局限性，并給出了一種優化設計方法。

2  正激有源鉗位變換器的工作原理

如圖1所示，有源鉗位正激變換器拓撲與傳統的單端正激變換器拓撲基本相同，只是增加了輔助開關Sa（帶反并二極管）和儲能電容Cs，以及諧振電容Cds1、Cds2，且略去了傳統正激變換器的磁恢復電路。磁飽和電感Ls用來實現零電壓軟開關，硬開關模式用短路線替代。開關S和Sa工作在互補狀態。為了防止開關S和Sa共態導通，兩開關的驅動信號間留有一定的死區時間。下面就其硬開關工作模式和零電壓軟開關工作模式分別進行討論。為了方便分析，假設：

1）儲能電容Cs之容量足夠大以至于其上的電壓Vcs可視為常數；

2）輸出濾波電感Lo足夠大以至于其中的電流紋波可忽略不計；

3）變壓器可等效成一個勵磁電感Lm和一個匝比為n的理想變壓器并聯，并且初次級漏感可忽略不計；

4）所有半導體器件為理想器件。

2.1  有源鉗位正激變換器硬開關工作模式

硬開關的有源鉗位正激變換器工作狀態可分為6個工作區間，關鍵工作波形如圖2(a)所示。

[t0～t1]期間主開關S導通，輔助開關Sa斷開。變壓器初級線圈受到輸入電壓Vin的作用，勵磁電流線性增加，次級整流管導通并向負載輸出功率。t1時刻，主開關S斷開。

[t1～t2]期間負載折算到變壓器初級的電流Io＊和勵磁電流im給電容Cds1充電和Cds2放電，電壓Vds1迅速上升。t2時刻，Vds1上升到Vin，變壓器輸出電壓為零，負載電流從整流管D3轉移到續流管D4。

[t2～t3]期間只有勵磁電流im通過Lm、Cds1、Cds2繼續諧振，并在t3時刻Vds1達到(Vin＋Vcs)。輔助開關Sa的反并二極管D2導通，勵磁電流給電容Cs充電并線性減小，此時，可驅動輔助開關Sa。

[t3～t4]期間變壓器初級線圈受到反向電壓Vcs的作用，勵磁電流由正變負。t4時刻，Sa斷開。

[t4～t5]期間電容Cds1、Cds2與Lm發生諧振，并在t5時刻電壓Vds1下降到Vin，變壓器磁芯完成磁恢復。

[t5～t0′]期間次級整流管導通，變壓器次級繞組短路，給勵磁電流提供了通道。在此期間，Vds1維持在Vin，勵磁電流保持在－Im(max)。t0′時刻，主開關S被驅動導通，下一個開關周期開始。

很明顯，有源鉗位正激變換器的變壓器磁芯工作在一、三象限，變換器工作占空比可超過50％。由于電容Cds1、Cds2的存在，開關S和Sa均能自然零電壓關斷，而且Sa能實現零電壓導通。但主開關管S工作在硬開關狀態。

（a）硬開關工作波形

（b）增加勵磁電流實現軟開關的工作波形  （c）采用磁飽和電感實現軟開關的工作波形

圖2  各種開關電路的工作波形

2.2  有源鉗位正激變換器零電壓軟開關模式

從上面的分析可明顯地看出，當變壓器勵磁電感Lm減小，勵磁電流足夠大時，[t5～t0′]期間勵磁電流除了能提供負載電流外，剩余部分可用來幫助電容Cds2、Cds1充放電。電壓Vds1有可能諧振到零，從而實現主功率開關管S的零電壓軟開通。二極管D1可為負的勵磁電流續流。關鍵工作波形如圖2（b）所示，具體的軟開關條件將在下一節中詳細討論。很顯然，軟開關的代價是變壓器勵磁電流和開關管導通電流峰值大幅增加，開關管及變壓器電流應力和通態損耗明顯加大。

2.3  應用磁飽合電感器實現零電壓軟開關

 為了克服上述零電壓軟開關工作時電流應力過大的缺點。可以在變壓器次級整流二極管上串聯一個磁飽和電感Ls，如圖1所示。當電壓Vds1下降到Vin時，[t5～t0′]期間磁飽和電感Ls瞬時阻斷整流二極管，使得變壓器勵磁電流不必負擔負載電流，而可完全用來給電容Cds2、Cds1充放電。這樣，不必大量減小變壓器勵磁電感，較小的勵磁電流就可以保證電壓Vds1諧振到零，實現主功率開關管的零電壓軟開通。關鍵工作波形如圖2（c）所示。

3  靜態分析和優化設計方法

3．1  儲能電容電壓及開關管承受的電壓應力

根據磁芯伏?秒平衡原則，可得式（1）

式中：Vin為輸入直流電壓；

Vo為輸出電壓；

D為主開關導通占空比；

Ts為開關周期；

n為變壓器匝比。

因此，主開關S和輔助開關Sa承受的最大電壓應力均為VDS：