一种有源钳位正激变换器的制作方法

本发明属于dc/dc开关电源技术领域，尤其涉及一种有源钳位正激变换器。

背景技术：

正激变换器由于其结构简单、可靠性高等优点得到了广泛应用。但是其需要额外的磁复位电路来实现变压器去磁，常用的方法有：采用辅助变压器绕组、rcd电路、lcdd谐振电路、有源钳位电路以及谐振磁复位正激、双管正激等。其中，双管正激变换器的开关管电压应力最低，能够回收全部的励磁能量，因此广泛应用于高压和高效率场合。但是双管正激的占空比必须小于0.5工作以保证变压器的磁复位，限制了其在宽电压范围输入场合的应用。有源钳位正激变换器虽然开关管占空比能够大于0.5，但开关管的电压应力则会达到输入电压的两倍以上，因此不适合高压应用场合并且变压器激磁电压完全由钳位电容提供，及全部磁化能量必须先经过钳位电容吸收，然后再间接回馈至电源输入端。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种有源钳位正激变换器，具有效率高、体积小等优点，用于解决上述问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种有源钳位正激变换器，其包括第一有源钳位正激变换器单元和第二有源钳位正激变换器单元及直流源，直流源分别连接于第一有源正激变换器单元和第二有源正激变换器单元，第一有源正激变换器单元和第二有源正激变换器单元的输入端串联，以及第一有源正激变换器单元和第二有源正激变换器单元的输出端串联，第一有源钳位正激变换器单元与第二有源钳位正激变换器单元交错工作。

进一步的，第一有源正激变换器单元和第二有源正激变换器单元均包括原边电路、副边电路及变压器，原边电路包括励磁电路和去磁电路，及副边电路包括整流电路和滤波电路，其中，第一有源正激变换器单元和第一有源正激变换器单元公用一个滤波电路。

进一步的，第一有源钳位正激变换器单元的原边电路包括第一输入电容c1、第一开关管s1、第三开关管s3及第一钳位电容cc1，直流源的正极分别连接于第一输入电容c1正极、第一开关管s1漏极，第一输入电容c1的负极连接于第一变压器t1原边绕组的异名端，第一开关管s1的源极连接于第一变压器t1原边绕组的同名端，直流源uin的负极连接于第三开关管s3的源极，第三开关管s3的漏极连接于第一钳位电容cc1的负极，第一钳位电容cc1的正极连接于第一变压器t1原边绕组的同名端；

第二有源钳位正激变换器单元的原边电路包括第二输入电容c2、第二开关管s2、第四开关管s4及第二钳位电容cc2，直流源的负极分别连接于第二输入电容c1负极、第二开关管s2源极，第二钳位电容c2的正极连接于第二变压器t2原边绕组的同名端，第二开关管s2的漏极连接于第二变压器t2原边绕组的异名端，直流源的正极连接于第二钳位电容cc2的正极，第二钳位电容cc2的负极连接于第四开关管s4的漏极，第四开关管s4的源极连接于第二变压器t2原边绕组的异名端。

进一步的，第一有源钳位正激变换器单元的副边的整流电路包括第一二极管d1、第二二极管d2，第一变压器t1的副边绕组同名端连接第一二极管d1的阳极，第一变压器t1的副边绕组异名端连接第二二极管d2的阳极，第一二极管d1的阴极和第二二极管d2的阴极相接；

第二有源钳位正激变换器单元的副边的整流电路包括第三二极管d3、第四二极管d4，第二变压器t2的副边绕组同名端连接第四二极管d1的阴极，第二变压器t2的副边绕组异名端连接第三二极管d3的阴极，第三二极管d2的阳极和第四二极管d4的阳极相接；

其中，第一有源钳位正激变换器单元和第二有源钳位正激变换器单元副边公用的滤波电路包括输出滤波电感lo、输出滤波电容co和负载ro，输出滤波电感lo的正极连接于第一二极管d1的阴极，输出滤波电感lo的负极分别于输出滤波电容co的正极和负载ro的一端连接，输出滤波电容co的负极和负载ro的另一端连接后连接于第三二极管d3的阳极。

进一步的，第一有源钳位正激变换器单元的第一输入电容c1和第二有源钳位正激变换器单元的第二输入电容c2的参数相同(参数包括容值、耐压等)；

第一有源钳位正激变换器单元的第一开关管s1、第三开关管s3和第二有源钳位正激变换器单元的第二开关管s2、第四开关管s4的参数相同；

第一有源钳位正激变换器单元的第一钳位电容cc1和第二有源钳位正激变换器单元的第二钳位电容cc2的参数相同；

第一有源钳位正激变换器单元的第一二极管d1、第二二极管d2和第二有源钳位正激变换器单元的第三二极管d3、第四二极管d4的参数相同；

以及第一有源钳位正激变换器单元的变压器t1和第一有源钳位正激变换器单元的变压器t2的参数相同。

本发明采用两路正激变换器输出侧串联，可有效减小副边整流管电压电流应力，减小输出电压电流脉动，减小输出滤波器体积；等效占空比大于0.5，适用于宽电压输入场合；大部分去磁电压由输入电容提供，只有小部分去磁电压由钳位电容提供，可有效减小钳位电容耐压和容值。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明一实施例的有源钳位正激变换器结构图。

图2为本发明一实施例的占空比d＜0.5时的关键波形图。

图3为基于图2的模态1的有源钳位正激变换器结构图。

图4为基于图2的模态2的有源钳位正激变换器结构图。

图5为基于图2的模态3的有源钳位正激变换器结构图。

图6为基于图2的模态4的有源钳位正激变换器结构图。

图7为基于图2的模态5的有源钳位正激变换器结构图。

图8为基于图2的模态6的有源钳位正激变换器结构图。

图9为基于图2的模态7的有源钳位正激变换器结构图。

图10为基于图2的模态8的有源钳位正激变换器结构图。

图11为本发明一实施例的占空比d＜0.5时的关键波形图。

图12为基于图11的模态1的有源钳位正激变换器结构图。

图13为基于图11的模态2的有源钳位正激变换器结构图。

图14为基于图11的模态3的有源钳位正激变换器结构图。

图15为基于图11的模态4的有源钳位正激变换器结构图。

图16为基于图11的模态5的有源钳位正激变换器结构图。

图17为基于图11的模态6的有源钳位正激变换器结构图。

图18为基于图11的模态7的有源钳位正激变换器结构图。

图19为基于图11的模态8的有源钳位正激变换器结构图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

参见图1，本发明的有源钳位正激变换器由两路有源钳位正激变换器单元的输入端串联、输出端串联，并且采用有源钳位磁复位电路构成。有源钳位正激变换器单元由输入直流源uin输入，有源钳位正激变换器包括第一输入电容c1、第二输入电容c2、第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3、第四开关管s4、第一钳位电容cc1、第二钳位电容cc2、第一变压器t1、第二变压器t2、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4、输出滤波电感lo、输出滤波电容co和负载ro等，其中第一有源钳位变压器包括变压器t1、第一原边绕组np1和第一副边绕组ns1,第二有源钳位变压器包括变压器t2、第二原边绕组np2和第二副边绕组ns2；

其中，输入直流源uin的正极分别连于第一输入电容c1正端、第一开关管s1漏极和第二钳位电容cc2负端，输入直流源uin的负极分别连于第二输入电容c2负端、第三开关管s3源极和第二开关管s2源极，第一开关管s1源极分别连于第一钳位电容cc1负端和第一原边绕组np1的同名端，第一钳位电容cc1正端与第三开关管s3漏极相连，第二钳位电容cc2正端连于第四开关管s4漏极，第四开关管s4源极分别连于第二原边绕组np2的非同名端和第二开关管s2漏极，第一原边绕组np1的非同名端分别连于第二原边绕组np2的同名端、第一输入电容c1负端和第二输入电容c2正端，第一副边绕组ns1同名端连于第一二极管d1阳极，第一二极管d1阴极分别连于第二二极管d2阴极和输出滤波电感lo的正端，输出滤波电感lo的负端分别连于输出滤波电容co的正端和负载ro的正端，第一副边绕组ns1非同名端分别连于二二极管d2阳极、第四二极管d4阴极和第二副边绕组ns2同名端，第二副边绕组ns2非同名端连于第三二极管d3阴极，第三二极管d3阳极分别连于第四二极管d4阳极、输出滤波电容co的负端和负载ro的负端。

下面结合附图2～附图19说明本发明的具体工作原理及工作过程。首先，在分析前做如下假设：(1)所有开关管、二极管均为理想器件；(2)输入电容c1、c2足够大且相等，电压恒为uin/2；(3)开关管s1、s2占空比大小相等且交错导通，占空比为d。

(1)d＜0.5时，关键波形如附图2所示，在半个开关周期内共用8个主要的开关模态

模态1[t0～t1][附图3]：t0时刻，第一开关管s1开通，第二开关管s2处于关断状态，第三开关管s3处于关断状态，第四开关管s4导通，第一二极管d1和第二二极管d2开始换流，第一二极管d1的电流线性增大，第二二极管d2的电流线性减小，第三二极管d3关断第四二极管d4导通；此时变压器t1原边电压up1被钳位在0。

模态2[t1～t2][附图4]：t1时刻，第一二极管d1和第二二极管d2换流结束，第二二极管d2中电流减小至0，副边第一二极管d1、第四二极管d4导通，第二二极管d2、第三二极管d3关断，输出滤波电感lo电流线性增大；输入源通过变压器t1向副边传输能量，变压器t1励磁电流开始增大，变压器t2通过钳位支路第三开关管s3、第一钳位电容cc1和第一输入电容c1进行磁复位。

模态3[t2～t3][附图5]：t2时刻，第一开关管s1关断，折合到原边的负载电流开始给第一开关管s1的结电容coss1充电，假设这个时间很短，负载电流不变，第一开关管s1的漏源极电压uds1线性上升，第三开关管s3的漏源极电压uds3和变压器t1的原边电压up1开始线性减小，直到t3时刻，uds1上升到uin/2，up1为0。

模态4[t3～t4][附图6]：t3时刻，up1为0，此时第二二极管d2和第一二极管d1开始换流，第二二极管d2中电流线性增大，第一二极管d1中电流线性减小，第四二极管d4导通，变压器t1励磁电流开始下降，uds1继续增大，直到t4时刻，第一二极管d1和第二二极管d2换流结束。

模态5[t4～t5][附图7]：t4时刻，第一二极管d1和第二二极管d2换流结束，uds1继续上升，变压器t1开始磁复位，该阶段结束时，uds3＝0，uds1＝uin-uc(uc为钳位电容cc1、cc2电压)。

模态6[t5～t6][附图8]：t5时刻，uds3＝0，第三开关管s3的续流二极管导通，第一开关管s1两端电压被钳位在uin-uc，变压器t1的复位电压up1＝-(uin/2-uc)，变压器t1励磁电流线性减小。

模态7[t6～t7][附图9]：t6时刻，开关管s3的驱动信号变高，s3零电压开通，t1励磁电流继续线性减小。

模态8[t7～t8][附图10]：t7时刻，第四开关管s4关断，此时变压器t2的励磁电感开始与coss4(开关管s4的结电容)谐振，变压器t1励磁电流谐振反向减小，第四开关管s4漏源极电压uds4谐振增大，对应uds2减小，直至t8时刻，第二开关管s2开通。

下半个周期的工作模式与上半周期的对称，不在重复叙述。

(2)d≥0.5时,关键波形如附图11所示，在半个开关周期内共用8个主要的开关模态。

模态1[t0～t1][附图12]：t0时刻，第一开关管s1开通，第二开关管s2处于开通状态，第三开关管s3和第四开关管s4均处于关断状态，第一二极管d1和第二二极管d2开始换流，第一二极管d1的电流线性增大，第二二极管d2的电流线性减小；此时变压器t1原边电压up1被钳位在0。

模态2[t1～t2][附图13]：t1时刻，第一二极管d1和第二二极管d2换流结束，第二二极管d2中电流减小至0，副边第一二极管d1、第三二极管d3导通，第二二极管d2、第四二极管d4关断，电感电流线性增大；输入源通过变压器t1和变压器t2向副边传输能量，变压器t1、变压器t2的励磁电流线性增大。

模态3[t2～t3][附图14]：t2时刻，第二开关管s2关断，第一开关管s1仍处于导通状态，输入源通过变压器t1向副边传输能量，折合到原边的负载电流开始给第二开关管s2的结电容coss2充电，假设这个时间很短，负载电流不变，uds2线性上升，uds4和变压器t2的原边电压up2开始线性减小，直到t2时刻，uds2上升到uin/2，up2为0，此时uds2＝uin/2，uds4＝uin/2+uc。

模态4[t3～t4][附图15]：t3时刻，up2被钳位在0，此时第三二极管d3和第四二极管d4开始换流，第三二极管d3电流线性减小，第四二极管d4电流线性增大，直到t4时刻换流结束。

模态5[t4～t5][附图16]：t4时刻，第三二极管d3和第四二极管d4换流结束，uds2继续增大，up2开始小于0，uds4继续减小，变压器t2开始磁复位，此模态到t5时刻，uds4＝0，uds2＝uin+uc结束。

模态6[t5～t6][附图17]：t5时刻，uds4＝0，第四开关管s4的续流二极管导通，第二开关管s2两端电压被钳位在uin+uc，变压器t2的复位电压up2＝-(uin/2+uc)，其励磁电流线性减小。

模态7[t6～t7][附图18]：t6时刻，第四开关管s4的驱动信号变高，第四开关管s4零电压开通，变压器t2励磁电流继续线性减小。

模态8[t7～t8][附图19]：t7时刻，第四开关管s4的关断，此时变压器t2的励磁电感开始与第四开关管s4结电容coss4谐振，变压器t2励磁电流谐振反向减小，uds4谐振增大，直至t8时刻，第二开关管s2开通。

下半个周期的工作模式与前半个周期相同，不再重复叙述。

根据变换器工作原理可知，采用本发明的拓扑，每路正激单元磁复位电压由输入电容和钳位电容电压二者提供，因此钳位电容容值和耐压可比传统钳位正激减小，并且变压器大部分励磁能量可以直接回馈输入源，仅有一小部分通过钳位电路回馈，可减小电路损耗。

本发明采用两路正激变换器输出侧串联，可有效减小副边整流管电压电流应力，减小输出电压电流脉动，减小输出滤波器体积；等效占空比大于0.5，适用于宽电压输入场合；大部分去磁电压由输入电容提供，只有小部分去磁电压由钳位电容提供，可有效减小钳位电容耐压和容值。

以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。