有源钳位开关电源中调节谐振电感实现软开关的效果分析 陈鉴宇，李康艺，金立川，张怀武 （电子科技大学微电子与固体电子学院，四川成都６１００５４） 摘要：软开关（零电压开关）能减小开关损耗，提高开关电源效率。有源钳位技术的发展为实现软开关 提供了方便有效的解决方案。本文采用调节谐振电感的方法实现软开关，并通过实验验证其效果。文中同时分 析了在正激同步整流拓扑结构中采用这种方法调节软开关的具体问题，最后提出了一种能实现高效率的电源电 路结构。 关键词：开关电源；软开关；有源钳位；谐振电感 中图分类号：ＴＭ５５；ＴＭ５６ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—３８３０（２０１０）０４—００６１．０２ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＺＶＳ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ａｃｔｉｖｅ Ｃｌａｍｐ ＳＭＰＳ ｂｙ Ａｄｊｕｓｔｉｎｇ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ ＣＨＥＮ Ｊｉａｎ—ｙｕ，ＬＩ Ｋａｎｇ—ｙｉ，Ｊ１Ｎ Ｌｉ—ｃｈｕａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｈｕａｉ—ｗｕ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭｉｃｒｏ—ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆＣｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５４，Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｚｅｒｏ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｗｉｔｃｈ（ＺＶＳ）ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｓｗｉｔｃｈ ｌｏｓｓ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ ｉｎ ＳＭＰＳ．Ａｃｔｉｖｅ ｃｌａｍｐ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｏ ＺＶＳ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ＺＶＳ ｉｓ ｒｅｌｉｚｅｄ ｂｙ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ，ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｓｓｕｅｓ ｏｎ ａｐｐｌｙｉｎｇ ＺＶＳ ｉｎ ｔｈｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｆ ｆｏｒｗａｒｄ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ａｎｄ ａ ｈｉｇｈ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ＳＭＰＳ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳＭＰＳ；ｚｅｒｏ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｗｉｔｃｈ（ＺＶＳ）；ａｃｔｉｖｅ ｃｌａｍｐ；ｒｅｓｏｎａｎｔ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ １ｌ 己Ｉ士 性。 ｌ百 开关电源的开关管存在寄生电容，其工作时 ２电路与原理 本文采用低边结构（Ｌｏｗ Ｓｉｄｅ）［ 】讨论开通时 的工作状态，其电路结构如图１所示。 的源漏极电压（Ｖｄ。）会在开关管导通后一段时间 内仍然大于零，此时开关管上发生电压电流重叠， 产生损耗。将开关管导通瞬间的 降低以减小 损耗的技术称为软开关。有源钳位为开关管的寄 生电容放电提供了谐振回路，将存储于其中的能 量返回电网和变压器原边，为软开关提供了有效 解决方案。其中关断过程本身就是零电压关断， 所以只需讨论开关管开通时的情况。基于有源钳 位调整软开关的方案有多种，通过比较各种方案， Ｒ Ｒ 本文着重分析了调整谐振电感对软开关效果的影 响，验证了这种方法的高效性、稳定性和可实现 收稿日期：２００９．１０—１２ 修回日期：２００９．１１－１１ 图１ 低边有源钳位（ａ）实际电路结构、 （ｂ）寄生参数等效电路结构 ６１ 作者通信：Ｅ—ｍａｉｌ：ｊｉａｎｙｕｃｈｅｎ＠ｕｅｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ 磁性材料及器件 ２０１０年８月 图１中 是变压器漏感，在有源钳位中起谐 振电感的作用；Ｌ 是变压器励磁电感；Ｄｌ、 分 别是ＮＭＯＳ管Ｑｌ和ＰＭＯＳ管 的寄生体二极管； Ｇ是Ｑｌ的源漏寄生电容；Ｄｆ、Ｄ 分别是整流管 和续流管。Ｐ管和Ｎ管的驱动信号为互补关系， Ｌｆ Ｄｆ Ｌｏ 留ｌ圆Ｒ 即Ｐ管和Ｎ管交替导通。实际使用中Ｐ管和Ｎ管 驱动信号之间有一段死区时间防止两个管同时导 通。通过分析有源钳位电路一个开关周期内的工 作状态ＬＺＪ，可得到以下几种调节软开关的方法： （１）在变压器磁芯上开气隙，减小三 增大 ， 这样既增大了励磁电流又增加了谐振能量；（２） 在变压器副边加磁放大器，阻止谐振阶段初级励 磁电流流到次级【ｊ ； （３）增加死区时间延长谐振 时间： （４）在初级加谐振电感，增加谐振时的能 量。方法（１）增加了变压器的铁损；方法（２） 增加了电路的复杂程度，并引入了磁放大器部分 的损耗；对于方法（３），由于死区时间很短（约 几十个纳秒）调节的效果有限。方法（４）引入了 一个磁性器件，可能会增大电路的体积。本文研 究方法（４）的实际工作效果。 ３电路效果分析 ３．１谐振电感实现软开关效果 采用电信电源常用的３６～７２Ｖ输入７０Ｗ ＤＣ—ＤＣ电源作为实验平台，电路结构如图１。变 压器励磁电感 ＩＴｌ＝ｌ１０ｇＨ，漏感ＬＩ＝０．７ ，钳位电 容Ｃ＝２２ｎＦ，开关管采用的型号是ＩＲＦ５４０Ｎ，开关 频率３００ｋＨｚ。输入电压 ＝３６Ｖ时实验波形如图 ２。此时开关管ＩＲＦ５４０Ｎ的Ｇ可根据ｄａｔａｓｈｅｅｔ给 出的数据，通过公式Ｃｒ Ｃｏ。。一 Ｊ计算得到： Ｃｒ￣－，４５ｐＦ。 图２中 是开关管的源漏电压波形， 是 栅源电压波形。 ＞／０时刻即为开关管开通瞬间， 此时对应的 。电压定义为 。依前文所述， 电压越低开关越“软”。由图可知，图１的电路 图２开关管开通波形 ６２ 图３增加谐振电感后的电路结构 羽 。 ｝ １ ｎ＼／ 厂 ．？ ． 图４ ｒ＝０．３ｇＨ时开关管开通波形 辱 １ＯＯ ■—— 、 ／ ＼ ‘。 、 ２０ ． ０ 图５ Ｌｙ１．２ｇＨ时开关管开通波形 结构中没有外加谐振电感，谐振电感全部由变压 器漏感提供。 。＝６０Ｖ，开关很“硬”。 在图１的电路图变压器原边串联一个谐振电 感Ｌ，电路结构图变成图３。当Ｌｒ＝Ｏ．３ｇＨ时开关 管开通波形如图４所示。由图４可知， 。已低于 ６０Ｖ，开关变‘软”。继续增加厶电感值，当Ｌｒ＝＝１．２ｐ］－Ｉ 时开关管开通波形如图５所示。 由图５知Ｌｒ＝１．２ｇＨ时 已经很低了，开关 非常“软”。本实验中采用的１．２ｇＩ－Ｉ电感的工作电 流小于２Ａ。对目前磁性材料的性能，因该电感所 增加的电路体积是可以接受的。讨论至此，读者 会问如果采用一个足够大的电感使 。＝Ｏ实现完 全软开关岂不是更好？作者在这里要指出的是， 如果仅仅将有源钳位认为是实现软开关的手段是 不足的。有源钳位的优势还包括：（１）帮助变压 器磁芯复位；（２）降低开关管电压应力使设计者 可以使用耐压较低的ＭＯＳ管。一般来说耐压低的 ＭＯＳ管导通电阻和结电容也较低，这样可进一步 减小损耗；（３）为同步整流自驱动提供良好的驱 （下转７３页） ＪＭａｇｎＭａｔｅｒＤｅｖｉｃｅｓ Ｖｏｌ４１ Ｎｏ４ 点，测试结果表明，带状线耦合在一定工艺条件 合器的研究［Ａ］．２００５全国微波毫米波会议论文集［Ｃ】， 下能实现高耦合系数。 深圳 ２００６．１１３６． ［３】 胡助明．宽带带状线定向耦合器的设计［Ｄ］．成都：电 参考文献： 子科技大学，２００８． ［１】韩磊，黄庆安，廖小平．Ｘ波段微带线定向耦合器的 设计与模拟［Ｊ】．电子器件，２００６，２９（２）：３９７． 作者简介：袁韬韬（１９８６一），男，四川通江县人，硕士 ［２］张婷，傅德民，田立卿．一种高方向性宽频带定向耦 研究生，从事射频电路研究工作。 ＝ ： ：ｆ：ｆ＝ｆ＝ ：ｆ：ｒ＝ｆ＝ ： ： ＝ （上接６２页） 甚至达到９０％。 动信号。其中同步整流技术是近年来提高开关电源 效率的主要手段 。 ４结论 ３．２自驱动同步整流中的软开关调整 （１）本文讨论了在有源钳位电路中改变谐振 正激式有源钳位同步整流电路拓扑结构如图６ 电感调整软开关效果的情况。谐振电感越大，软开 所示（反激式有源钳位没有明显性能优势亦无成本 关效果越明显，即 。越低。在本文采用的电信电 优势，本文不再讨论）。 源中，此电感的体积较小，对电路体积影响不大。 Ｉ ｒ Ｉ．ｏ （２）在正激式有源钳位同步整流电源中，开 关不能调整得过“软”，以免发生工作不稳定的情 况影响电源安全。在本文讨论的电信电源中， 。 的最佳值在３２～３６ｖ之间。此电路拓扑结构能很容 易的实现高效率。 图６正激式有源钳位同步整流电路结构 图６是在图３的基础上将次级整流续流二极管 参考文献： ［１］Ｍａｐｐｕｓ Ｓ．Ａｃｔｉｖｅ ｃｌａｍｐ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｒｅｓｅｔ ｈｉｇｈ ｓｉｄｅ ｏｒ 换成ＭＯＳ管Ｑｆ和Ｑｒ，驱动信号分别取自变压器 ｌｏｗ ｓｉｄｅ［ｚ］．Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ Ｎｏ．ＳＬｕＡ３２２， 副边同名端和异名端。按照２．１介绍的方法调节软 ２００４，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ：２－６． 开关，如果将 调整过低电源会发生工作不稳的 ［２】Ｌｉｎ Ｂ Ｒ，Ｃｈｉａｎｇ Ｈ Ｋ，Ｈｕａｎｇ Ｃ Ｅ，ｅｔ ａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ 情况。当电源工作在图５所示的 。≈１０Ｖ的情况 ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｚｅｒｏ—ｖｏｌｔａｇｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｆｏｒｗａｒｄ 时已经非常不稳定了。这是由于软开关谐振改变了 ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ ｗｉｔｈ ａ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＩＥＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，２００５，１ ５２（５）９： 电路的工作状态，当开关太“软”时，次级的整流 １０８５．１０９２． 管和续流管提前获得了足以驱动自身导通的驱动 ［３】Ａｃｉｋ Ａ，Ｃａｄｉｒｃｉ Ｉ．Ａｃｔｉｖｅ ｃｌａｍｐｅｄ ＺＶＳ ｆｏｒｗａｒｄ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｈｔ ｓｏｆｔ—ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｆｏｒ ｈｉｇｈ 信号，发生了比正常导通时刻提前导通的情况。为 ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ，ｌｏｗ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌａｔｇｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ】．Ｅｌｅｃｔｒｉｃ 了保证电源安全工作，必须确保 足够高以保持 Ｐｏｗｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＩＥＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，２００３，１ ５０（２）： 合理的安全稳定裕度；为了提高效率，又必须使 ｌ６５．１７４． 尽可能的低以实现开关尽量“软”。所以设计者 ［４】Ｓａｎｊａｙａ Ｍａｎｉｋｔａｌａ．精通开关电源设计ＥＭ］．北京：人民 邮电出版社，２００８．１４８．１４９． 必须反复调试软开关以达到最优效果。根据２．１的 ［５】宋辉淇，林维明．同步整流技术的特点与分析比较［Ｊ］． 讨论，通过调整 电感大小可以方便地实现最佳 通信电源技术，２００６，２３（３）：３４．３６． 效果。在本实验采用的输入电压３６～７２Ｖ ７０Ｗ ＤＣ—ＤＣ电信电源中， 的最佳值在３２～３６Ｖ之间， 作者简介：陈鉴宇（１９８６一），男，四川攀枝花人，硕士 即略小于最小输入电压。此时Ｌｒ＝０．６６１ｘＨ。采用图 研究生，研究方向为高效率ＤＣ．ＤＣ变换器。 ６电路拓扑结果，电源效率可以轻松达到８６％以上， 勘误：本刊２０１０年第３期发表的 硬币识别器传感线圈参数设计及改进 一文（ｐ．５７．６０），第二作者应 为“周小刚”，误为“周小川”，特此更正，并向作者和读者致歉。 磁性材料及器件 ２０１０年８月 ７３
