一文弄懂辅助绕组复位正激变换器工作原理及特点

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，D1为输出整流二极管，D2为输出续流二极管，D3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D1开通，D2与D3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Lm，其电流iLm为0，输出电感的电流iL从一定的初始值IL(min)开始激磁工作，每一个开关周期结束，电流iLm回到0，电流iL回到初始值IL(min)。开关管S、输出整流二极管D1、输出续流二极管D2、磁通复位辅助绕组钳位二极管D3、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Vin和输出电压Vo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VDS。变压器初级绕组N1与次级绕组N2的匝比为n:1，初级绕组N1与辅助复位绕组N3的匝比为nr:1，若N1=N3，N1:N3:N2= 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，iL=IL(min)，iLm=0，开关管S开通，变压器初级绕组电压为Vin，次级绕组电压为Vin/n，次级绕组电压极性为上正下负，D1两端电压正向偏置而导通；辅助复位绕组电压为Vin，其电压极性为上负下正，D3两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Vin，Lm激磁，iLm随时间线性增加；输出电感两端承受正向电压为Vin/n-Vo，L激磁，iL从初始值IL(min)随时间线性增加，输出电感储存能量。

在t=ton时刻，开关管S关断，iL达到最大值IL(max)。

同时有：

在t=ton时刻，开关管S关断，iLm达到最大值ILm(max)。

2、S与D1关断，D2与D3导通

开关管S关断后，iL、iLm不能突变，要保持原来大小和方向。iLm对S的输出电容充电，VDS电压升高，变压器初级绕组和次级绕组的电压降低，当VDS电压升高Vin，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，D1两端电压反向偏置，D1电流逐渐减小到0而关断，D2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VDS电压升高Vin，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，D3两端电压仍然是反向偏置而不导通；当VDS电压升高到2Vin时，D3两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Vin，因此，辅助复位绕组反射到初级绕组的反向电压保持在Vin不变，VDS电压也保持在2Vin。

变压器励磁电感两端承受反向电压为Vin，Lm去磁，iLm从初始值ILm(max)随时间线性降低。输出电感两端承受反向电压为-Vo，L去磁，iL从初始值IL(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ton开始，当t= ton，iL=IL(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D1及D3关断，D2导通

在t=tr时刻，初级励磁电感的电流iLm降低到0，D3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，D2一直保持导通状态，直到这一个开关周期结束，在ton+toff=TS时刻，iL电流降低到起始值IL(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Lm的激磁电压与复位的去磁电压相等，都为Vin，因此，激磁时间与去磁时间也相等，为了保证Lm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，nr增大,复位电压增大，复位时间变短，但是，其反射的电压增加，VDS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，nr减小，其反射的电压降低，VDS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VDS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

图6 复位绕组与初级绕组匝比对应电压应力和临界占空比

5、初级电感选择

正激变换器的变压器只是进行隔离的能量传输元件，不需要存储主功率能量，主功率能量的存储由输出电感来实现。理想的情况下，变压器的励磁电感越大越好，这样，励磁电流ILm就越小。开关管开通时，变压器初级电流等于开关管的电流，为激磁电流和等效负载电流之和：

若变换器的输出功率为Po，效率为h，输出电感在临界导通模式下工作，IL(min)=0，初级等效负载电流峰值为：

输出电感在临界导通模式下工作，开关管的峰值电流为：

过程设计中，激磁电流通常取等效负载电流一定的系数：

电流比例系数km取值范围通常为：0.1-0.3。

因此，得到：

变压器初级励磁电感Lm为：

正激变压器磁芯通常不需要设置气隙，当需要减小变压器的磁芯体积或饱和电流不够时，才需要考虑设置气隙。

6、正激变换器优点及缺点

正激变换器主要优点为：

（1）正激变换器由BUCK变换器变形而来，输出的储能电感工作在连续导通模式时，在开关管开通与关断时都可以向输出负载提供能量（电流），输出电流纹波与电压纹波都比较小，带负载的能力强，输出电压的瞬态控制特性比较好。

（2）正激变换器通过电感实现输入与输出的电气隔离，调整初级与次级匝比可以实现较宽的升降压比，同时输出负载电流通过匝比反射到初级开关管的电流应力降低。

（3）变压器增加多个绕组可以实现多路输出，多路输出通过磁放大器耦合进行多路交叉调节，实现更加精确的多路电压输出。每个输出不需要抽头绕组。

（4）开关管导通期间存储在励磁电感中的能量，在开关管关断后，通过辅助复位绕组将其返回到输入电源，没有产生额外损耗，系统效率高。

正激变换器缺优点：

（1）与反激变换器比较，正激变换器多用一个输出储能滤波电感以及一个输出续流二极管，电路相对复杂，成本增大。

（2）变压器需要磁通复位绕组，变压器的结构变得复杂，体积增大，成本增加。变压器依然工作在单端方式（磁化曲线第一象限），变压器利用率低。

（3）最大占空比有一定限制，通常不大于0.5，导致系统对输入电压变化的调节范围变小，。

（4）开关管电压应力大。输出短路时，复位二极管的电压应力、电流应力非常大。

因此，辅助底3绕组复位的正激变换器主要应用于中小功率的开关电源。

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