ZVS软开关反激变换器的工作原理分析

1、前言

反激变换器是一种常用的电源结构，广泛应用于中小功率的快充及电源适配器。高功率密度的ZVS软开关反激变换器除了有源箝位反激变换器，还有另一种结构，其利用输出反灌电流，实现初级主功率MOSFET零电压开通，电路的结构如图1所示，和传统的采用同步整流的反激变换器完全相同，只是控制的方式不一样，工作的原理分析如下。

图1：输出反灌电流零电压软开关反激变换器

图2：输出反灌电流零电压软开关反激变换器波形

2、工作原理

每个开关周期根据其工作状态可以分为8个工作模式，各个工作模式的状态及等效电路图分别讨论如下，其中，模式1-5和传统的反激变化器工原理相同。

Lm：变压器初级激磁电感

Lr：变压器初级漏感

Lp：变压器初级总电感，Lp=Lm+Lr

n：变压器T初级和次级的匝比，n=Np/Ns

Q1：主功率开关管，DQ1、CQ1为Q1寄生体二极管和寄生输出电压

Qs：次级同步整流管

Dc：箝位吸收电路二极管

Cc：箝位吸收电路电容

Cr：CQ1、Dc以及其它杂散谐振电容Ct总和，Cr=CQ1+CDc+Ct

Cc1：Cc1=Cc+CQ1+Ct

Vsw：Q1的D、S两端电压

Vin：输入直流电压

Vo：输出直流电压

Vc：箝位电容电压

模式1：t0-t1

Q1开通，Qs保持关断状态。变压器初级电感Lp在输入电压的作用下正向激磁，其电流随时间线性上升：Lp•diLp/dt=Vin。

图3：模式1（Q1开通，Qs关断）

模式2：t1-t2

在t1时刻，Q1关断，Qs保持关断状态。Q1关断后，Lp和Cr谐振，Vsw的电压谐振上升。

图4：模式2（Q1关断，Qs关断）

模式3：t2-t3

在t2时刻，Vsw的电压上升到Vin+Vc时，Dc自然导通，Q1、Qs保持关断状态。Dc导通后，Vc和Vsw的电压继续谐振上升。

图5：模式3（Dc导通，Q1关断，Qs关断）

模式4：t3-t4

在t3时刻，VLm电压谐振上升到n•Vo时，Qs导通，Q1保持关断状态。Qs导通后（Qs的寄生体二极管先导通，然后Qs导通后），Lm两端电压箝位在n•Vo，Lm储存能量通过次级绕组向输出负载传送，其电流线性下降。

Lr和Cc1谐振，Lr的电流同时对Cc、CQ1充电，Vsw、Vc的电压继续谐振上升；同时，Lr的电流谐振下降，将其储存的能量转化到Cc、CQ1中。相对于Cc值，CQ1的电容值较小，因此，漏感Lr的能量主要由Cc吸收。

图6：模式4（Dc导通，Qs导通，Q1关断）

模式5：t4-t5

在t4时刻，Lr的电流谐振下降到0，Dc自然关断，Qs保持导通状态，Q1保持关断状态。Dc关断后，Vsw电压谐振下降到Vin+n•Vo，Lm继续向输出负载释放能量，电流保持线性下降。

图7：模式5（Qs导通，Q1关断，Dc关断）

模式6：t5-t6

在t5时刻，Lm的电流下降到0，Qs保持导通状态，Dc和Q1保持关断状态。Lm的电流下降到0后，次级绕组的电流也下降到0，由于Qs保持导通，输出电压对次级绕组反向激磁，也就是形成输出反灌电流。初级绕组在箝位电路的作用下外于反向偏置，次级反向激磁的能量无法向初级转送，因此能量储存在次级绕组的电感中。

图8：模式6（Qs导通，Q1关断，Dc关断）

模式7：t6-t7

在t6时刻，关断Qs，Dc和Q1保持关断状态。Qs关断后，次级绕组储存的能量转移到初级绕组中，向输入回路释放能量，将能量回馈到输入电源，Lp和Cr谐振，此时Q1的寄生电容放电，Vsw的电压下降。

图9：模式7（Qs关断，Q1关断，Dc关断）

模式8：t7-t0

在t7时刻，Vsw的电压下降到0，Q1的寄生体二极管导通，将Vsw的电压箝位到0，Qs和Dc保持关断状态。Lp的反向负电流在输入电压的作用下继续下降，也就是继续向输入电源回馈能量，直到其电流过0后，在输入电压的作用下正向激磁，Lm的电流从0开始，随时间线性上升，进入下一个开关周期。

图10：模式8（D1关断，Qs关断，Dc关断）

在此过程中任一时刻开通Q1，Vsw的电压为0，因此Q1的开通就是零电压开通ZVS。

图11：Q1零电压ZVS开通

3、说明

（1）这种结构保留着无源RCD吸收电路，和有源箝位反激变换器相比，效率稍低，但是其电路结构简单，成本低，更适命较低功率的应用。这种结构的变换器工作于非连续模式DCM，因此每个周期初级激磁电感的电流要到0。

（2）主功率MOSFET管只有在其寄生电容的电压放电到0、体二极管导通后，再开通，才能现零电压软开关ZVS工作，这也是所有零电压ZVS软开关工作的特性。

（3）由于变压器的匝比关系，以及次级绕组电感较小，实现主功率MOSFET管零电压软开关ZVS工作的输出反灌电流的大小不容易精确控制，输出反灌电流太小，不能实现其零电压的开通；反灌电流太大，产生较大的损耗。

（4）输出反灌电流的能量并没有传输到输出，它只是为了实现Q1的零电压关断，因此，在初级和次级之间来回往复形成环流。环流在变压器的绕组和磁芯中产生额外的铜损、铁（磁）损，同时在回路电阻产生导通损耗，影响系统的效率。反灌电流过大，效率会降低。

（5）初级主功率MOSFET和次级同步整流功率MOSFET的驱动信号的时序在各种条件下必须精度控制，否则会产生初级和次级的短路直通，导致系统损坏。