一種有源箝位Flyback軟開關(guān)電路設(shè)計(jì)

一種有源箝位Flyback軟開關(guān)電路設(shè)計(jì)

　　摘要：介紹了一種有源箝位Flyback變換器ZVS實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)其軟開關(guān)參數(shù)重新設(shè)計(jì)。該方案不但能實(shí)現(xiàn)主輔開關(guān)管的ZVS，限制輸出整流二極管關(guān)斷時(shí)的di/dt，減小整流二極管的開關(guān)損耗，同時(shí)也有效地降低了開關(guān)管的電壓應(yīng)力。
　　關(guān)鍵詞：零電壓開關(guān)；電流反向；有源箝位
　　
　　引言
　　
　　Flyback變換器由于其電路簡(jiǎn)單，在小功率場(chǎng)合被普遍采用。但是，由于變壓器漏感的存在，引起開關(guān)管上過高的電壓應(yīng)力。普通的RCD嵌位Flyback變換器其漏感能量消耗在嵌位電阻R上，開關(guān)管上電壓應(yīng)力的大小取決于消耗在嵌位電阻上能量的大小。消耗在嵌位電阻上的能量越多，開關(guān)管的電壓應(yīng)力就越低，但也影響了整個(gè)變換器的效率，因此，普通的RCD嵌位Flyback變換器總存在著開關(guān)管電壓應(yīng)力與整個(gè)變換器效率之間的矛盾。
　　
　　輕小化是目前電源產(chǎn)品追求的目標(biāo)。而提高開關(guān)頻率可以減小電感、電容等元件的體積。但是，開關(guān)頻率提高的瓶頸是開關(guān)器件的開關(guān)損耗，于是軟開關(guān)技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生。一般，要實(shí)現(xiàn)比較理想的軟開關(guān)效果，都需要有一個(gè)或一個(gè)以上的輔助開關(guān)為主開關(guān)創(chuàng)造軟開關(guān)的條件，同時(shí)希望輔助開關(guān)本身也能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。
　　
　　本文介紹的一種有源嵌位Flyback軟開關(guān)電路，不但能實(shí)現(xiàn)ZVS，而且也解決了前述的普通RCD嵌位Flyback變換器中存在的問題。
　　
　　1工作原理
　　
　　電路如圖1所示，其兩個(gè)開關(guān)S1及S2互補(bǔ)導(dǎo)通，中間有一定的死區(qū)以防止共態(tài)導(dǎo)通。變壓器激磁電感Lm設(shè)計(jì)得較大，使電路工作在電流連續(xù)模式（CCM），如圖2的iLm波形所示。而電感Lr設(shè)計(jì)得較小（Lr?Lm），使流過Lr的電流在一個(gè)周期內(nèi)可以反向，如圖2的iLr波形所示。考慮到開關(guān)的結(jié)電容以及死區(qū)時(shí)間，一個(gè)周期可以分為8個(gè)階段，各個(gè)階段的等效電路如圖3所示。其工作原理如下。
　　
　　1）階段1〔t0，t1〕該階段S1導(dǎo)通，Lm與Lr串聯(lián)承受輸入電壓，流過Lm及Lr的電流線性上升。
　　
　　V2=Vin(Lin/Lm+Lr)（1）
　　
　　由于Lr?Lm，所以式（1）可簡(jiǎn)化為
　　
　　V2≈Vin(2)
　　
　　2）階段2〔t1，t2〕t1時(shí)刻S1關(guān)斷，Lm及Lr上的電流給S1的輸出結(jié)電容Cr1充電，同時(shí)使S2的輸出結(jié)電容Cr2放電。t2時(shí)刻S2的漏源電壓下降到零，該階段結(jié)束。
　　
　　圖2
　　
　　3）階段3〔t2，t3〕當(dāng)S2的漏源電壓下降到零之后，S2的寄生二極管就導(dǎo)通，將S2的漏源電壓箝位在零電壓狀態(tài)。Lr和Lm串聯(lián)與嵌位電容Cclamp諧振，Cclamp上電壓vc緩慢上升，v2上電壓也緩慢上升。
　　
　　v2=(Lm/Lm+Lr)vc（3）
　　
　　4）階段4〔t3，t4〕t3時(shí)刻S2的門極變?yōu)楦唠娖剑琒2零電壓開通。流過寄生二極管的電流流經(jīng)S2。此時(shí)間段依然維持Lr和Lm串聯(lián)與嵌位電容Cclamp諧振，v2緩慢上升。
　　
　　5）階段5〔t4，t5〕t4時(shí)刻v2上升到一定的電壓使副邊二極管D導(dǎo)通，v2被嵌位在－NVo。Lr與Cclamp諧振。在保證t5時(shí)刻Lr電流反向的情況下，其諧振周期應(yīng)該滿足
　　
　　
　　
　　式中：toff為主開關(guān)管S1一個(gè)周期內(nèi)的關(guān)斷時(shí)間。
　　
　　圖3
　　
　　t5時(shí)刻S2關(guān)斷，該階段結(jié)束。
　　
　　6）階段6〔t5，t6〕t5時(shí)刻Lr上的電流方向?yàn)樨?fù)，此電流一部分使S1的輸出結(jié)電容Cr1放電，另一部分對(duì)S2的輸出結(jié)電容Cr2充電。t6時(shí)刻S1的漏源電壓下降到零，該階段結(jié)束。
　　
　　7）階段7〔t6，t7〕當(dāng)S1的漏源電壓下降到零之后，S1的寄生二極管就導(dǎo)通，將S1的漏源電壓箝在零電壓狀態(tài)，也就為S1的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。此時(shí)，Lr上的承受電壓v1為
　　
　　v1=Vin＋NVo（5）
　　
　　
　　
　　>
　　Lr上電流快速上升。流過副邊整流二極管D電流iD則快速下降。
　　
　　diD/dt=－N[Vin+NVo]/Lr+NVo/Lm)（6）
　　
　　考慮到Lr?Lm，式（6）可簡(jiǎn)化為
　　
　　diD/dt=－N(Vin+NVo)/Lr（7）
　　
　　8）階段8〔t7，t8〕t7時(shí)刻S1的門極變?yōu)楦唠娖剑琒1零電壓開通，流過寄生二極管的電流流經(jīng)S1。t8時(shí)刻副邊整流二極管D電流下降到零，D自然關(guān)斷，電路開始進(jìn)入下一個(gè)周期。
　　
　　可以看到，在這種方案下，兩個(gè)開關(guān)S1和S2實(shí)現(xiàn)了零電壓開通，二極管D自然關(guān)斷。
　　
　　2軟開關(guān)的參數(shù)設(shè)計(jì)
　　
　　假定電路工作在CCM狀態(tài)。由于S2的軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)是Lr與Lm聯(lián)合對(duì)Cr1及Cr2充?電，而S1的軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)是單獨(dú)的Lr對(duì)Cr1及Cr2充放電。因此，S2的軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)比較容易，而S1的軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)相對(duì)來(lái)說(shuō)要難得多。所以，在參數(shù)設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵是要考慮S1的軟開關(guān)條件。
　　
　　電流連續(xù)模式有源嵌位Flyback變換器ZVS設(shè)計(jì)步驟如下所述。
　　
　　2.1變壓器激磁電感Lm的設(shè)定
　　
　　由于Lr的存在，變換器的有效占空比Deff（根據(jù)激磁電感Lm的充放電時(shí)間定義，見圖2）要小于S1的占空比D，但是由于t5～t8時(shí)刻iLr的上升速度非常的快，所以可近似地認(rèn)為Deff=D。這樣，根據(jù)Flyback電路工作在CCM條件，則
　　
　　
　　
　　式中：η為變換器效率；
　　
　　fs為開關(guān)頻率；
　　
　　PoCCM為變換器的輸出功率。
　　
　　在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了保證電路在輕載時(shí)也能工作在電流連續(xù)模式，Lm一般取為
　　
　　
　　
　　2.2電感Lr的設(shè)定
　　
　　為了實(shí)現(xiàn)S1的ZVS，t5時(shí)刻儲(chǔ)存在Lr內(nèi)的能量足以令S1的輸出結(jié)電容Cr1放電到零，同時(shí)使S2的輸出結(jié)電容Cr2充電到最大。即
　　
　　式中：vds=vds1=vds2≈Vin＋NVo；
　　
　　Cr=Cr1＋Cr2。
　　
　　根據(jù)式（4）取定合適的諧振周期可以令
　　
　　2.3電容Cclamp的設(shè)定
　　
　　根據(jù)式（4）有
　　
　　在滿足式（15）的前提下，取定合適的Cclamp令iLrmax=iLrmin。
　　
　　2.4死區(qū)時(shí)間的確定
　　
　　為了實(shí)現(xiàn)S1的ZVS，必須保證在t6到t7時(shí)間內(nèi)，S1開始導(dǎo)通。否則Lr上電流反向，重新對(duì)Cr1充電，這樣S1的ZVS條件就會(huì)丟失。因此，S2關(guān)斷后、S1開通前的死區(qū)時(shí)間設(shè)定對(duì)S1的ZVS實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。合適的死區(qū)時(shí)間為電感Lr與S1及S2的輸出結(jié)電容諧振周期的1/4，即
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　嚴(yán)格地講，開關(guān)管輸出結(jié)電容是所受電壓的函數(shù)，為方便起見，在此假設(shè)Cr1與Cr2恒定。
　　
　　2.5有效占空比Deff的計(jì)算
　　
　　有效占空比Deff比開關(guān)管S1的占空比D略小。
　　
　　Deff=D－ΔD（17）
　　
　　[(Vin+NVo)/Lr]ΔDT≈2(P/DVin)（18）
　　
　　ΔD≈2PLrfs/DVin(Vin+NVo)（19）
　　
　　代入式（17）得
　　
　　Deff=D－2PLrfs/(DVin(Vin+NV0)（20）
　　
　　2.6開關(guān)管電壓應(yīng)力計(jì)算
　　
　　Vs1,s2≈Vin＋NVo＋(2PLrfs/DVin(1-D)（21）
　　
　　式（21）中第三項(xiàng)相對(duì)來(lái)說(shuō)較小，故開關(guān)管的電壓應(yīng)力接近于Vin＋NVo。
　　
　　
　　
　　3實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　
　　為了驗(yàn)證上述ZVS的實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)電路，其規(guī)格及主要參數(shù)如下：
　　
　　輸入電壓Vin48V；
　　
　　輸出電壓Vo12V；
　　
　　輸出電流Io0～5A；
　　
　　工作頻率f100kHz；
　　
　　主開關(guān)S1及S2IRF640；
　　
　　變壓器激磁電感Lm144μH；
　　
　　變壓器原副邊匝數(shù)比n=N8/3；
　　
　　電感Lr10μH；
　　
　　電容Cclamp2μF。
　　
　　圖4給出的是負(fù)載電流Io=2A時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。從圖4（e）及圖4（f）可以看到，S1和S2都實(shí)現(xiàn)了ZVS。圖5給出了兩種Flyback電路的效率曲線，可以看到，有源嵌位Flyback軟開關(guān)電路有效地提升了變換器的效率。
　　
　　4結(jié)語(yǔ)
　　
　　有源嵌位Flyback軟開關(guān)電路在實(shí)現(xiàn)主開關(guān)及輔助開關(guān)ZVS的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了輸出整流二極管的自然關(guān)斷，因此，有效地減少了開關(guān)損耗，提高了變換器效率。另外，它也大大地降低了開關(guān)管的電壓應(yīng)力，這從實(shí)驗(yàn)波形中可以看得比較清楚。
　　
　　
　　
　　

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