正激变换器的开关管关断后,辅助绕组(第3绕组)复位相当于在反激状态,因此,其绕组的极性与初级绕组相反,开关管Q导通时,辅助复位绕组会影响系统正常工作。因此,在辅助复位绕组的输出串联一个二极管,二极管电流的方向与其在反激工作时的电流方向一致,这样,开关管导通时,复位的辅助绕组不工作,就不再影响系统正常工作,实现
辅助绕组的隔离与复位电压钳位,
如图1所示。其中,S为开关管,D
1
为输出整流二极管,D
2
为输出续流二极管,D
3
为磁通复位辅助绕组钳位二极管,辅助绕组复位正激变换器有3种工作状态。
图1 辅助绕组复位正激变换器
1、S与D
1
开通,D
2
与
D
3
关断
假定:正激变换器工作在稳定状态,输出电感工作在连续导通模式CCM状态,即:每一个开关周期开始时,变压器初级激励电感为L
m
,其电流i
Lm
为0,输出电感的电流i
L
从一定的初始值I
L(min)
开始激磁工作,每一个开关周期结束,电流i
Lm
回到0,电流i
L
回到初始值I
L(min)
。开关管S、输出整流二极管D
1
、输出续流二极管D
2
、磁通复位辅助绕组钳位二极管D
3
、变压器T和滤波电容均为理想元件,滤波电容的电容值足够大,输入电压纹波和输出电压纹波都很小,输入电压V
in
和输出电压V
o
保持稳定不变,SW为开关管和变压器连接点,称为开关节点,电压为V
DS
。变压器初级绕组N
1
与次级绕组N
2
的匝比为n:1,初级绕组N
1
与辅助复位绕组N
3
的匝比为n
r
:1,若N
1
=N
3
,N
1
:N
3
:N
2
=
n: n: :1,先忽略漏感和绕组的电阻。
图2
开关管S导通
当t=0时,i
L
=I
L(min)
,i
Lm
=0,开关管S开通,变压器初级绕组电压为V
in
,次级绕组电压为V
in
/n,次级绕组电压极性为上正下负,D
1
两端电压正向偏置而导通;辅助复位绕组电压为V
in
,其电压极性为上负下正,D
3
两端电压反向偏置处于截止;变压器励磁电感两端承受正向电压为V
in
,L
m
激磁,i
Lm
随时间线性增加;输出电感两端承受正向电压为V
in
/n-V
o
,L激磁,i
L
从初始值I
L(min)
随时间线性增加,输出电感储存能量。
在t=t
on
时刻,开关管S关断,i
L
达到最大值I
L(max)
。
同时有:
在t=t
on
时刻,开关管S关断,i
Lm
达到最大值I
Lm(max)
。
2、S
与
D
1
关断,D
2
与
D
3
导通
开关管S关断后,i
L
、i
Lm
不能突变,要保持原来大小和方向。i
Lm
对S的输出电容充电,V
DS
电压升高,变压器初级绕组和次级绕组的电压降低,当V
DS
电压升高V
in
,然后继续升高,初级绕组开始承受反压,次级绕组的电压极性也发生改变,变为上负下正,D
1
两端电压反向偏置,D
1
电流逐渐减小到0而关断,D
2
导通续流,电流逐渐增加到等于输出电感的电流,维持输出电感的电流的大小和方向不变。
图3
开关管S关断
同时,当V
DS
电压升高V
in
,然后继续升高,初级绕组开始承受反压,初级励磁电感也开始承受反压而去磁。同时辅助复位绕组的电压极性也发生改变,变为上正下负,但是,D
3
两端电压仍然是反向偏置而不导通;当V
DS
电压升高到2V
in
时,D
3
两端电压变为正向偏置而导通,将辅助复位绕组的电压钳位在V
in
,因此,辅助复位绕组反射到初级绕组的反向电压保持在V
in
不变,V
DS
电压也保持在2V
in
。
变压器励磁电感两端承受反向电压为V
in
,L
m
去磁,i
Lm
从初始值I
Lm(max)
随时间线性降低。输出电感两端承受反向电压为-V
o
,L去磁,i
L
从初始值I
L(max)
随时间线性降低,输出电感释放能量。
这一阶段时间起点从t
on
开始,当t= t
on
,i
L
=I
L(max)
,得到:
同时有:
在磁通复位过程中,存储在初级励磁电感中的能量返回到输入电源,相当于无损复位,从而增加的变换器的效率。
3、S与D
1
及D
3
关断,D
2
导通
在t=t
r
时刻,初级励磁电感的电流i
Lm
降低到0,D
3
自然关断,变压器的磁通回到起始的0值,实现变压器的磁通复位。在这个阶段,D
2
一直保持导通状态,直到这一个开关周期结束,在t
on
+t
off
=T
S
时刻,i
L
电流降低到起始值I
L(min)
。然后,开关管S再次开通,上一个开关周期结束,下一个开关周期开始,重复以上过程,如此反复。
图4
磁通复位后次级续流
辅助第3绕组复位正激变换器的工作波形如下图所示。
图5
工作波形
根据磁通复位的原理(伏秒值平衡),对于输出电感L:
化简得到:
辅助复位第3绕组匝数与变压器初级绕组匝数相同时,变压器励磁电感L
m
的激磁电压与复位的去磁电压相等,都为V
in
,因此,激磁时间与去磁时间也相等,为了保证L
m
有足够的时间去磁复位,正激变换器的占空比必须小于50%。
4、
初级与辅助复位绕组匝比影响
如果
减小
辅助复位绕组匝数,n
r
增大,
复位电压增大,复位时间变短,但是,其反射的电压增加,V
DS
电压增加,开关管的电压应力增加;同样,如果
增加
辅助复位绕组匝数,
n
r
减小
,
其反射的电压降低,V
DS
电压降低,开关管的电压应力降低,但是,复位电压降低,复位时间变长,系统工作的占空比范围必须进一步降低。
功率开关管V
DS
电压为:
保证磁通复位的临界占空比为;
表1 复位绕组与初级绕组匝
比对应电压应力和临界占空比