[论文解读] A High Frequency Active Clamp Forward Converter with Coreless Transformer

Reza Asrar Ghaderloo, Ali Parsa Sirat+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2023

Advanced DC-DC Converters被引用 4

一句话总结

本文提出一种高频（2 MHz）、低功耗（<10W）的隔离式有源钳位正激变换器，采用无磁芯印刷电路板（PCB）绕制变压器，实现零电压切换（ZVS），并消除铁芯损耗。通过集成有源钳位电路与无磁芯变压器，该设计在高频下通过减少开关损耗并最小化无源元件数量，实现了高效率与紧凑尺寸。

ABSTRACT

In this paper, a highly compact, low power (&lt;10W), high frequency (2 MHz) isolated active clamp forward converter, comprising a coreless Printed Circuit Board-based transformer is proposed. To decrease the size of converter, high switching frequency is considered which lead to decrease in inductor, capacitor and transformer size. Highly switch loss due to hard switching is an important constraint of forward topology to increase frequency. In this paper, the active clamp circuit is added to forward topology to achieve zero voltage switching and decrease switching loss drastically. Due to zero voltage switching, the proposed converter can operate in high frequency. The principle of active clamp forward converter is described in this paper. Another constraint to increase the switching frequency of forward converter is transformer core losses. In this paper, coreless PCB-based transformer is proposed and implemented to be utilized in the structure of the active clamp forward converter. Instead of classic core-based transformer, using a PCB-based transformer as the power transmitter has increased the efficiency due to elimination of core hysteresis loss. The equivalent circuit, transfer function and input impedance of PCB-based coreless transformer are presented in high frequency. Finally, an experimental prototype of the active clamp forward converter which uses a coreless transformer is implemented. The experimental results of proposed converter are presented to evaluate the theoretical analysis and performance.

研究动机与目标

• 解决高频正激变换器因硬开关导致的高开关损耗问题。
• 通过消除磁芯，克服传统变压器在高频下的铁损问题。
• 开发一种适用于高频运行的紧凑型、低功耗（<10W）隔离式变换器。
• 通过有源钳位电路在正激拓扑中实现零电压切换（ZVS），以降低开关应力。
• 设计并验证一种适用于高频功率传输的无磁芯PCB基变压器，以提升效率。

提出的方法

• 在正激变换器拓扑中集成有源钳位电路，以在2 MHz下实现零电压切换（ZVS）。
• 用无磁芯PCB基变压器替代传统磁芯变压器，以消除磁滞损耗与涡流损耗。
• 建立无磁芯PCB变压器在高频下的等效电路、传递函数及输入阻抗模型。
• 利用高频运行（2 MHz）以减小无源元件（电感器、电容器及变压器）的尺寸。
• 搭建实验样机，以验证理论分析在真实条件下的性能表现。
• 通过等效电路建模与PCB变压器的频域分析，对变换器性能进行分析与优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在高频正激变换器中有效实现零电压切换（ZVS），以降低开关损耗？
• RQ2 在2 MHz运行条件下，消除变压器磁芯在多大程度上可提升效率？
• RQ3 无磁芯PCB基变压器在高频下的等效电路参数与输入阻抗特性为何？
• RQ4 有源钳位与无磁芯变压器的结合如何实现紧凑型、低功耗（<10W）变换器设计？
• RQ5 所提出的变换器在实验验证中可实现的效率与性能表现如何？

主要发现

• 有源钳位电路成功在原边开关上实现零电压切换（ZVS），显著降低了2 MHz下的开关损耗。
• 无磁芯PCB基变压器消除了铁芯损耗，与传统磁芯变压器相比，显著提升了整体效率。
• 实验样机因开关损耗降低且无磁滞与涡流损耗，实现了高效率。
• 高频运行（2 MHz）显著减小了无源元件尺寸，从而实现高度紧凑的变换器设计。
• 无磁芯变压器的等效电路模型能准确预测其在高频下的输入阻抗与传递特性。
• 实验结果验证了理论分析，表明在满载条件下系统运行稳定，且有效实现了ZVS。