基于有源钳位的Flyback变换器分析

反激变换器既可以当作变压器使用，也可以作为储能电感使用，是一种可将间接变换器转变成电气隔离的电路：即用带磁化电感的变压器代替电路中的电感。因为电感上没有直流电压。当Q导通时，D关断，电能流入Lμ；当Q关断,D导通，储存的磁能经副边绕组流向负载。如果没有漏电感，除了变压器产生升压与降压作用外，反激式变换器的工作与非隔离变换器是一样的。当原边有漏电感且当开关断开时，其储能需要释放，通常必须加缓冲电路。正激电路中的变压器的磁化电流越小越好，而反激必须具有一定的值以储存能量。该变压器称为储能变压器。其电流电压波形图如图2所示。

2  有源钳位反激电路分析

有源钳位反激电路的目的在于解决直流谐振环输出电压过高的问题，而电压峰值过高的原因是输出电压实际上是LC串联谐振电路的电容端压,在谐振状态下，该电压必然会高出电源电压。但谐振状态是使后续电路获得软开关环境的手段，因此，采用有源钳位电路的作用是在保持电路谐振的前提下,将输出电压峰值限制在可以接受的水平上。所谓有源钳位反激电路，是指包含功率器件的钳位电路，因其性能优越而倍受欢迎，其主电路结构如图3所示。

有源钳位反激变换器除了能将漏感上的能量反馈到输出，以提高电路效率外，还具有以下几个优点：首先，电压钳位效果良好，能减少开关管上的电压应力；其次，电路原边的主开关管和辅助开关管都可实现ZVS,从而减少电路的开关损耗。这个特性对于高压输入的场合特别重要。由于开关管上的电压是谐振到零的，这样，就既限制了电压关断时的du/di,同时钳位电容和变压器原边谐振电感的谐振还限制了副边整流管关断时的di/dt_;通过恰当地设计钳位电容的值，还可以实现副边整流二极管的ZCS,从而减少或消除了整流管的开关损耗和由于二极管反向恢复引起的开关噪声，从而有效减少电路的EMI。有源钳位反激电路不但可以做为普通的DC/DC变换器来使用，而且还可以用作一个性能优良的PFC电路。有源钳位变换器电路的工作波形如图4所示。

有源钳位反激变换器的工作过程如下:在[t₀,t₁]时,主开关S₁导通，辅助开关S₂关断,输出整流二极管D₁承受反向电压,S₂的体内反并联二极管也反向偏置,L_r和L_m上的电流在V_in的作用下线性上升;对于[t₁,t₂],在t₁时刻,S₁关断，L_m和L_r一起同C_r进行谐振，利用激磁电流给c_r充电，S₂处于关断状态,S₂体内二极管续反向偏置;[t₂,t₃]在t₂时刻，C_r被充电到V_Cr,此时,S₂的体内二极管开始导通，L_m和L_r同C_e进行谐振，因而利用激磁电流给C_r充电。由于C_e远大于C_r,几乎所有的激磁电流都通过二极管流向钳位电容，同时L_m和L_r以一定比例进行分压，励磁电压即变压器一次电压V_n1下降规律为:V_n1=—[L_m/(L_r+L_m)]V_ce;[t₃,t₄]在t₃时刻,V_n1已经下降到使D₁正向导通，随后，变压器的原边电压就被钳位在一(N_p/N_s)V₀,这时,L_r和C_e进行谐振，并利用激磁电流给C_e充电,L_r上的电压为V_ce－nV_o，谐振电流的下降速率为(V_cr－nV_o)/L_r，为了能实现S₂的ZVS,S₂必须在谐振电流反向之前触发导通；[t₄,t₅]在t₄时刻,S₂关断，并使C_e被迅速从电路中断开，同时,L_r和C_r构成谐振电路，变压器的原边电压仍然被钳位在－nV_o,值上，当L_r上面的电流等于L_m上的电流时,副边电流减少到零,D₁反向截止,变压器原边的电压开始反向；[t₅,t₆]在t₅时刻,V_Cr=0,假定储存在L_r和L_m内的能量大于储存在C_r中鬲能量，则足以使S₁体内寄生二极管开通,L_r上电压钳位在V_in+(N_p/N_s)V_o值上,这将使D₁中的电流i_D1的下降速率为：

如果在这个时间段内，S₁被触发导通，那么就可以实现ZVS；在t₆,时刻，对于L_m和L_r而言，两端的电压V_in使电感上的电流又开始线性上升，当i_Lr的值上升到i_Lm的上升值时，i_D1=0,D₁反偏,V_NP由nV₀变为V_in，随后，L_m和L_r再次线性充电，并进入下一个开关周期。

3  开关电源控制芯片MAX5974

Maxim公司推出的采用有源钳位架构和扩频工作方式的高频、电流模式PWM控制器MAX5974的有源钳位架构能够提供大于90%的效率，故可有效降低用电设备(PD)的同步正向/反激式电源的功耗。MAX5974A/MAX5974C非常适合通用整流离线式(85〜265V)或电信(36〜72V)输入电压。MAX5974B/MAX5974D还可接受低至10.5V的输入电压(例如：墙上适配器)。MAX5974的目标应用包括IP电话、IP摄像机和无线LAN接入点等以太网供电(PoE)中的用电设备(PD)应用。同时，MAX5974适用于通用和电信输入电压范围。

MAX5974A/MAX5974B具有内部采样保持误差放大器，可通过耦合电感调节输出电压。这种反馈配置省去了偏置电路中的并联稳压器、光耦和第三绕组，从而节省了空间和成本。需要光耦反馈的应用可以使用MAX5974C/MAX5974D,这两款器件具有一路始终连接的反馈输入。器件的开关频率可以在100〜600kHz范围内调节，精度可达士8%。这就允许设计人员对电路中的磁性和滤波元件进行优化，以满足EMI标准的要求。MAX5974C/MAX5974D器件的占空比可以设置为最大占空比限制的士8%。该器件的其它特性包括可用于关断器件的一路使能输入以及可避免输出电压过冲的可编程软启动功能。MAX5974A/MAX5974C内带较高滞回的自举UV-LO电路，需要20V的启动电压。MAX5974B/MAX5974D的启动电压为10V。可工作在-40°C〜+85°C扩展级温度范围，器件采用3mmX3mm的16引脚TQFN封装。

4  结论

有源钳位反激变换器具有功率开关电压应力小、功率开关与钳位开关为ZVS开关、能降低副边整流二极管反向恢复引起的关断损耗和开关噪声等优点，因而在中小功率变换场合具有重要的应用价值。

本文设计并研制成功的电流控制有源钳位反激变换器具有功率密度高、变换效率高、过载与短路能力强、可靠性高等优点。