一種Flyback軟開關實現方法

一種Flyback軟開關實現方法

　　摘要：提出了一種Flyback電路ZVS軟開關實現方法，即通過附加一個繞組，使激磁電感電流反向，從而來創造Flyback電路主開關的ZVS軟開關條件；分析了其工作原理及電路參數的設計；最后的實驗結果驗證了該電路的工作原理及有效性。
　　關鍵詞：Flyback電路；軟開關；輔助繞組
　　
　　引言
　　
　　輕小化是目前電源產品追求的目標。而提高開關頻率可以減小電感、電容等元件的體積。但是，開關頻率提高的瓶頸是開關器件的開關損耗。于是軟開關技術就應運而生。
　　
　　本文提出了一種帶輔助繞組的Flyback零電壓軟開關實現方法。通過對該電路的工作原理分析及實驗的結果，驗證了該電路的可行性。
　　
　　1工作原理
　　
　　圖1所示的即為本文所提出的軟開關電路，輔助繞組的匝數與輸出繞組相同。開關管S1與S2互補導通，之間有一定的死區防止共態導通，如圖2所示。電路中激磁電感Lm的取值較小，使電流iLm可以反向以達到主開關S1的ZVS軟開關條件，如圖2（a）及圖2（b）中iLm波形所示。由于電路在輕載及滿載時的工作狀況有略微不同，下文將具體分析電路輕載時的工作原理，滿載時的工作原理將簡要說明。考慮到開關的結電容以及死區時間，電路輕載時一個周期可以分為7個階段，其各個階段的等效電路如圖3所示。其工作原理描述如下。
　　
　　1）階段1〔t0，t1〕該階段S1導通，Lm承受輸入電壓，激磁電流iLm正向線性增加，從負值變為正值。在t1時刻S1關斷，iLm達到最大值，該階段結束。
　　
　　2）階段2〔t1，t2〕S1關斷后，激磁電感電流開始下降，其中一部分對S1的輸出結電容充電，S1的漏源電壓線性上升；同時另一部分通過變壓器耦合到副邊使S2的輸出結電容放電，S2的漏源電壓可以近似認為線性下降，t2時刻S2的漏源電壓下降到零，該階段結束。
　　
　　3）階段3〔t2，t3〕當S2的漏源電壓下降到零之后，S2的寄生二極管就導通，將S2的漏源電壓箝位在零電壓狀態，也就是為S2的零電壓導通創造了條件。同時二極管D也導通。
　　
　　4）階段4〔t3，t4〕t3時刻S2的門極變為高電平，S2零電壓開通。激磁電感Lm承受反向電壓nVo（n為變壓器原副邊匝數比），Lm上電流線性下降，t4時刻下降到零，通過開關管S2及二極管D的電流也同時下降到零，該階段結束。
　　
　　5）階段5〔t4，t5〕通過二極管D的電流下降到零以后，二極管D自然關斷。而S2繼續導通，Lm上承受電壓nVo，流過Lm的電流從零開始反向線性增加。t5時刻S2關斷，該階段結束。
　　
　　6）階段6〔t5，t6〕此時激磁電感Lm上的電流方向為負，此電流一部分使S1的輸出結電容放電，使S1的漏源電壓可以近似認為線性下降；同時另一部分通過變壓器耦合到副邊對S2的輸出結電容充電，使S2的漏源電壓線性上升。t6時刻S1的漏源電壓下降到零，該階段結束。
　　
　　7）階段7〔t6，t7〕當S1的漏源電壓下降到零之后，S1的寄生二極管導通，將S1的漏源電壓箝在零電壓狀態，也就為S1的零電壓導通創造了條件。t7時刻接著S1在零電壓條件下導通，進入下一個周期。可以看到，兩個開關S1和S2都實現了軟開關。
　　
　　以上分析的是電路輕載時的工作原理，電路滿載時的工作原理與輕載時略有差別，即不存在二極管D電流下降到零自然關斷的環節，二極管D的電流在開關管S2關斷以后才逐步下降到零，如圖2（b）所示。
　　
　　2軟開關參數設計
　　
　　這里軟開關的參數設計主要是變壓器激磁電感的設計。
　　
　　激磁電感電流的峰峰值可以表示為
　　
　　ΔILm=（VinDT）/Lm（1）
　　
　　式中：D為占空比；
　　
　　T為開關周期。
　　
　　則激磁電感電流的最大值和最小值可以表示為：
　　
　　ILmmax=(VinDT)/2Lm＋Io/n（2）
　　
　　ILmmin=(VinDT)/2Lm－Io/n（3）
　　
　　式中：Io是負載電流。
　　
　　圖3
　　
　　從上面的原
　　
　　
　　
　　理分析中可以看到S1的軟開關條件是由|ILmmin|使S1的輸出結電容放電，同時通過變壓器對S2的輸出結電容充電來創造的；而S2的軟開關條件是由|ILmmax|對S1的輸出結電容充電，同時通過變壓器使S2的輸出結電容放電來創造的。S1及S2的軟開關極限條件為儲存在Lm上的能量對S1和S2的輸出結電容充放電，足以令其中一結電容放電到零，而另一結電容充電到最大。
　　
　　這樣S1的極限條件為
　　
　　
　　
　　S2的極限條件為
　　
　　
　　
　　式中：C1，C2分別為S1和S2的輸出結電容。
　　
　　由于在實際電路中死區時間比較小，因此可以近似認為在死區時間內電感Lm上的電流保持不變，即為一個恒流源對開關管的結電容進行放電。在這種情況下的軟開關條件稱為寬裕條件。
　　
　　S1的寬裕條件為
　　
　　(C2/n2+C1)(nVo＋Vin)≤
　　
　　|ILmmin|tdead1（6）
　　
　　S2的寬裕條件為
　　
　　(C2/n2+C1)(nVo＋Vin)≤
　　
　　|ILmmax|tdead2（7）
　　
　　式中：tdead1，tdead2分別為S1及S2開
　　
　　通前的死區時間。
　　
　　由于能量由電源向負載傳送，即負載電流IO>0，比較式（2）與式（3）可知|ILmmax|>|ILmmin|，特別是在滿載時，|ILmmax?|ILmmin|。所以S2的軟開關實現比S1要容易得多。因此在具體的實驗設計中，關鍵是要設計S1的軟開關條件。首先確定可以承受的最大死區時間，然后根據式(6)及式(3)推算出激磁電感量Lm。在能實現軟開關的前提下，Lm不宜太小，以免造成開關管上過大的電流有效值，使開關的導通損耗過大。
　　
　　3實驗結果
　　
　　設計了一個48V輸入、5V/5A輸出的帶輔助繞組的Flyback電路模型，給出了實驗結果，進一步驗證了上述軟開關實現方法的正確性。該變換器的規格和主要參數如下：
　　
　　輸入電壓Vin48V；
　　
　　輸出電壓Vo5V；
　　
　　輸出電流Io0～5A；
　　
　　工作頻率f100kHz；
　　
　　主開關S1，S2IRF730，IRFZ44；
　　
　　激磁電感Lm70μH；
　　
　　變壓器原副邊及輔助繞組匝數比26∶4∶4。
　　
　　圖4分別給出了輕載（1A）及滿載（5A）時的
　　
　　實驗波形，從圖4（g）～圖4（j）可以看到開關管S1及S2在輕載和滿載時都實現了軟開關。
　　
　　4結語
　　
　　本文分別分析了電路工作在輕載及滿載時的情況，即輸出整流二極管分別處于斷續及連續狀態，此兩種狀態分別有自己的優缺點，斷續狀態可以實現二極管的零電流關斷，但其電流應力較高，而連續狀態則剛好相反。因此，可以根據具體的需要，將電路設計在其中一個狀態或跨越兩種狀態。
　　
　　
　　
　　

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