正激变换器：LCD复位电路工作原理及特点

LCD电感电容二极管无损复位电路工作原理是变压器初级励磁电感Lm两端并联复位电容Cr，开关管S关断后，Lm在激磁过程中存储的能量全部转移到Cr，完成变压器的磁通复位。然后，Cr与一个复位电感Lr串联，Lr与Cr组成谐振回路，将Cr从Lm获得的能量，再全部转移到Lr。如果Cr足够大，可以看作电压源VCr。最后，Lr连接到输入电源Vin，Lr从Cr获得的能量全部返回到Vin，实现无损耗的磁通复位。复位过程中，能量转移的路径为：Lm-->Cr-->Lr--> Vin。

开关管S关断时，Cr与Lm并联，完成能量转化和磁通复位；开关管S导通时，开关节点SW（开关管漏极、变压器和Cr的共同连接点）连接到输入电源的地，如果将Lr的上端与Cr的左端连接，Lr的下端与输入电源的地连接，正好组成闭合的谐振回路。然后，Lr的上端与Cr的左端一起连接到输入电源的正端，不但符合Lm与Cr并联的连接关系，同时也满足Lr连接到Vin的电路状态，如图1所示。

图1  复位Cr与Lr的连接方式

图1中的电路有如下问题：

（1）开关管S开通时，输入电源将正向直接加到Cr两端，输入电压Vin与VCr电压方向相反，Vin对Cr反向充电，如果开关管导通时间长，VCr电压将反向，导致变压器磁通无法复位，系统不能正常工作；输入电压Vin直接加到Lr，形成对Lr的反向激磁，导致Cr的能量无法向Lr转换，如图2所示。

图2  输入电源对Cr与Lr影响

（2）开关管S导通时，Cr与Lr谐振电流到峰值后下降到0，再反向谐振，导致变压器励磁电感的能量无法回馈到输入端，磁通复位电路无法正常工作，VCr电压快速增加，功率MOSFET管因为过压产生损坏。

二极管具有单向流过电流的特性，因此，可以根据电流方向实现元件相互之间的隔离。开关管关断后变压器磁通复位时，iLm对Cr充电电流方向从右向左；开关管导通时，Cr对Lr的激磁电流方向也就是Cr放电电流方向从左向右，Cr的水平支路要流过二个方向的电流，因此，二极管不能串联在Cr的水平支路。

如果在Lr的上端及Cr的左端的共同连接点与输入电源Vin之间串联一个二极管D3，D3的方向向上，这样就可以消除问题1的影响。同时，D3既不会影响变压器磁通复位过程中iLm对Cr充电（D3的方向与iLm对Cr充电电流的方向一致），也不会影响Lr向输入电源回馈能量（D3的方向与Lr向输入电源回馈能量的电流方向一致），如图3所示。

图3  复位电路增加二极管

Lr串联一个二极管D4，D4的方向向上，这样就可以消除问题2的影响。同时，D4既不会影响开关管导通期间Cr中存储的能量向Lr转换（D4的方向与Cr对Lr激磁的电流方向一致），也不会影响Lr向输入电源回馈能量（D4的方向与Lr向输入电源回馈能量的电流方向一致）。另外，D4限制Lr与Cr只能完成正半周期的谐振过程（Lr与Cr谐振电流只能顺时针流动，无法反向，不能逆时针流动），防止在异常情况下，Lr对Cr反向充电。

完整复位电路与工作波形，如图4、图5所示，LCD电感电容二极管无损复位电路正激变换器整个工作过程有7个状态。

图4  LCD复位电路

图5  LCD复位电路工作波形

（1）状态1：t0-t1阶段

图6 工作状态1

开关管处于导通状态，输出整流管D1导通，输出续流管D2关断，iLm与输出电感电流iL都处于激磁状态，iLm与iL随时间线性增加。

同时：

Cr、Lr通过D4与导通的开关管S形成谐振回路，VCr方向左负右正，Cr与Lr在谐振过程中，Lr激磁，存储能量，iLr方向从下到上；Cr放电，释放在变压器磁通复位过程中存储的能量。

（2）状态2：t1-t2阶段

图7 工作状态2

开关管S关断后，在这段时间内，变压器的励磁电感Lm与开关节点的寄生电容（开关管的输出寄生电容、变压器初级寄生电容与复位二极管的寄生电容之和）谐振。由于这段时间非常短，初级电流非常大，等于变压器的励磁电感的激磁电流iLm与输出负载反射电流之和，可以等效为初级电流对开关节点的寄生电容充电，寄生电容的电压VDS在初级电流作用下随着时间上升，iLm继续增加。VDS增加到Vin后，D1关断，D2导通续流，iLm达到最大值ILm(max)。

变压器初级寄生电容、复位二极管的寄生电容与Coss相比可以忽略，开关节点总电容近似等于Coss。

开关管S关断后，Lr通过D4与电容Cr、Coss形成谐振回路，在谐振过程中，Lr继续激磁，存储能量，Cr继续放电，释放在变压器磁通复位过程中存储的能量。

（3）状态3：t2-t3阶段

图8 工作状态3

D1关断后，输出负载电流不再反射到变压器的初级，这段时间内，Lm与Coss继续谐振，Lm两端为负压，iLm略微有下降，由于时间非常短，可以认为iLm保持ILm(max)恒定不变，VDS在iLm作用下随着时间继续上升，在t3时刻，VDS增加到等于Vin+VCr时，D3开通。

Lr继续与电容Coss、Cr谐振，在谐振过程中，Lr继续激磁，存储能量，Cr继续放电，释放在变压器磁通复位过程中存储的能量。

D2导通续流，输出电压Vo反向加在输出电感的两端，输出电感去磁，iL随着时间线性下降。后面的阶段，输出回路都维持输出电感去磁的过程，直到下一个开关周期开始。

这一阶段时间起点从ton开始，当t=ton，iL=IL(max)，得到：

（4）状态4：t3-t4阶段

图9 工作状态4

D3开通后，Lm通过D3与电容Coss+Cr形成谐振回路，在谐振过程中，复位电容的电压VCr反向加在Lm两端（VCr电压方向与iLm电流方向相反），Lm在VCr作用下反向去磁，iLm随时间谐振下降，VDS随时间谐振增加。

D3开通后，Lr通过D3、D4连接到Vin，Vin反向加在Lr两端，Lr去磁，iLr随时间线性下降，将其存储的能量回馈到输入电源。

Lm电感值通常较小，在t4时刻，iLm先下降到0，此时，iD3=iD4，Lm存储的能量全部转移到电容Coss+Cr，VDS谐振到最大值。

（5）状态5：t4-t5阶段

图10 工作状态5

iLm下降到0后，D3、D4保持导通，Lr在Vin反向作用下继续去磁，iLr随时间线性下降，将其存储的能量继续回馈到输入电源。

Lm通过D3与电容Coss+Cr形成谐振回路反向谐振，iLm随时间反向谐振上升，VDS随时间谐振下降。iCr电流反向，从上一个阶段的从右向左，变为从左向右，iCr从0开始增加，iD3、iD4电流继续下降，保持如下关系：

在t5时刻，iD3下降到0，D3自然关断，iCr=iLr。

（6）状态5：t5-t6阶段

图11 工作状态6

D3关断后，Lr与电容Coss、Cr形成谐振回路，Lm与电容Coss形成谐振回路，iLr随时间继续谐振下降，iLm随时间继续反向谐振上升，VDS随时间继续谐振下降，在t6时刻，iLr（iD4）下降到0，D4自然关断。

（7）状态6：t6-t7阶段

图12 工作状态7

D4关断后，Lm与电容Coss谐振，VDS谐振降低，iLm谐振反向增加，iLm增加到负最大值-ILm(0)，VDS谐振降低到Vin，然后，VDS维持Vin不变，iLm维持负的最大值-ILm(0)不变，直到下一个开关周期开始，iLm从负的最大值-ILm(0)开始，随着时间线性上升。

如果Lr值过大，下一个开关周期开始，其电流仍然不会谐振下降到0，Lr工作在连续电流模式，降低系统效率。Lr值过小，在开关管导通期间，iLr电流过峰值后降低，存储在Lr能量会返回到Cr，严重时Lr电流过峰值后降低到0，导致稀土无法磁通复位。

正激变换器LCD复位，励磁电感会进行轻微的反向激磁，工作在第3象限，即：iLm变为负值且其绝对值较小。这种复位方式优点是占空比可以大于0.5，适用于宽的输入电压范围的地方，同时，电路结构简单，成本相对不高。开关管的电压被钳位，电压尖峰降低，开关管电压应力降低。变压器励磁电感以及漏感的能量通过复位电路返回到输入电源，没有损耗，系统的效率高。缺点是需要一个额外的电感Lr，Lr与Cr谐振电流增加开关管的导通损耗，影响系统效率。增加一个额外二极管，除了产生导通损耗，还会产生漏电流损耗，也会增加成本，要选择漏电流小的二极管管。系统工作开关频率高时，Lr与Cr谐振电流增加，损耗增加，同时，需要选择合适电感值，保证电路正常工作。因此，这种复位方式主要用于中等功率、频率不太高的应用。

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