一種Flyback軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)方法

摘要：提出了一種Flyback電路ZVS軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)方法，即通過附加一個繞組，使激磁電感電流反向，從而來創(chuàng)造Flyback電路主開關(guān)的ZVS軟開關(guān)條件；分析了其工作原理及電路參數(shù)的設(shè)計(jì)；最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該電路的工作原理及有效性。

關(guān)鍵詞：Flyback電路；軟開關(guān)；輔助繞組

0??? 引言

??? 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。

??? 本文提出了一種帶輔助繞組的Flyback零電壓軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)方法。通過對該電路的工作原理分析及實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，驗(yàn)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(guān)電路，輔助繞組的匝數(shù)與輸出繞組相同。開關(guān)管S₁與S₂互補(bǔ)導(dǎo)通，之間有一定的死區(qū)防止共態(tài)導(dǎo)通，如圖2所示。電路中激磁電感L_m的取值較小，使電流i_Lm可以反向以達(dá)到主開關(guān)S₁的ZVS軟開關(guān)條件，如圖2（a）及圖2（b）中i_Lm波形所示。由于電路在輕載及滿載時(shí)的工作狀況有略微不同，下文將具體分析電路輕載時(shí)的工作原理，滿載時(shí)的工作原理將簡要說明。考慮到開關(guān)的結(jié)電容以及死區(qū)時(shí)間，電路輕載時(shí)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。

圖1??? 帶輔助繞組的flyback變換器

（a）輕載時(shí)的電路工作波形

（b）滿載時(shí)的電路工作波形

圖2??? 電路主要工作波形

（a）Stage1[t₀，t₁]??????? （b）Stage2[t₁，t₂]

（c）Stage3[t₂，t₃]??????? （d）Stage4[t₃，t₄]

（e）Stage5[t₄，t₅]??????? （f）Stage6[t₅，t₆]

（g）Stage7[t₆，t₇]

圖3??? 各階段等效電路圖

??? 1）階段1〔t₀，t₁〕??? 該階段S₁導(dǎo)通，L_m承受輸入電壓，激磁電流i_Lm正向線性增加，從負(fù)值變?yōu)檎怠Ｔ?I>t₁時(shí)刻S₁關(guān)斷，i_Lm達(dá)到最大值，該階段結(jié)束。

??? 2）階段2〔t₁，t₂〕??? S₁關(guān)斷后，激磁電感電流開始下降，其中一部分對S₁的輸出結(jié)電容充電，S₁的漏源電壓線性上升；同時(shí)另一部分通過變壓器耦合到副邊使S₂的輸出結(jié)電容放電，S₂的漏源電壓可以近似認(rèn)為線性下降，t₂時(shí)刻S₂的漏源電壓下降到零，該階段結(jié)束。

??? 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)，也就是為S₂的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。同時(shí)二極管D也導(dǎo)通。

??? 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。激磁電感L_m承受反向電壓nV_o（n為變壓器原副邊匝數(shù)比），Lm上電流線性下降，t₄時(shí)刻下降到零，通過開關(guān)管S₂及二極管D的電流也同時(shí)下降到零，該階段結(jié)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(guān)斷。而S₂繼續(xù)導(dǎo)通，L_m上承受電壓nV_o，流過L_m的電流從零開始反向線性增加。t₅時(shí)刻S₂關(guān)斷，該階段結(jié)束。

??? 6）階段6〔t₅，t₆〕??? 此時(shí)激磁電感L_m上的電流方向?yàn)樨?fù)，此電流一部分使S₁的輸出結(jié)電容放電，使S₁的漏源電壓可以近似認(rèn)為線性下降；同時(shí)另一部分通過變壓器耦合到副邊對S₂的輸出結(jié)電容充電，使S₂的漏源電壓線性上升。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。t₇時(shí)刻接著S₁在零電壓條件下導(dǎo)通，進(jìn)入下一個周期。可以看到，兩個開關(guān)S₁和S₂都實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)。

??? 以上分析的是電路輕載時(shí)的工作原理，電路滿載時(shí)的工作原理與輕載時(shí)略有差別，即不存在二極管D電流下降到零自然關(guān)斷的環(huán)節(jié)，二極管D的電流在開關(guān)管S₂關(guān)斷以后才逐步下降到零，如圖2（b）所示。

2??? 軟開關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)

??? 這里軟開關(guān)的參數(shù)設(shè)計(jì)主要是變壓器激磁電感的設(shè)計(jì)。

??? 激磁電感電流的峰峰值可以表示為

??????? ΔI_Lm=（V_inDT）/L_m??? （1）

式中：D為占空比；

????? T為開關(guān)周期。

??? 則激磁電感電流的最大值和最小值可以表示為：

??? I_Lmmax=(VinDT)/2L_m＋I_o/n（2）

??? I_Lmmin=(VinDT)/2L_m－I_o/n（3）

式中：I_o是負(fù)載電流。

??? 從上面的原理分析中可以看到S₁的軟開關(guān)條件是由|I_Lmmin|使S₁的輸出結(jié)電容放電，同時(shí)通過變壓器對S₂的輸出結(jié)電容充電來創(chuàng)造的；而S₂的軟開關(guān)條件是由|I_Lmmax|對S₁的輸出結(jié)電容充電，同時(shí)通過變壓器使S₂的輸出結(jié)電容放電來創(chuàng)造的。

??? S₁及S₂的軟開關(guān)極限條件為儲存在L_m上的能量對S₁和S₂的輸出結(jié)電容充放電，足以令其中一結(jié)電容放電到零，而另一結(jié)電容充電到最大。

??? 這樣S₁的極限條件為

??? (nV_o＋V_in)²(<=)L_m（4）

??? S₂的極限條件為

??? (nV_o＋V_in)²(<=)L_m（5）

式中：C₁，C₂分別為S₁和S₂的輸出結(jié)電容。

??? 由于在實(shí)際電路中死區(qū)時(shí)間比較小，因此可以近似認(rèn)為在死區(qū)時(shí)間內(nèi)電感L_m上的電流保持不變，即為一個恒流源對開關(guān)管的結(jié)電容進(jìn)行放電。在這種情況下的軟開關(guān)條件稱為寬裕條件。

??? S₁的寬裕條件為

??? (nV_o＋V_in)≤|I_Lmmin|t_dead1（6）

??? S₂的寬裕條件為

??? (nV_o＋V_in)≤|I_Lmmax|t_dead2（7）

式中：t_dead1，t_dead2分別為S₁及S₂開通前的死區(qū)時(shí)間。

??? 由于能量由電源向負(fù)載傳送，即負(fù)載電流I_O>0，比較式（2）與式（3）可知|I_Lmmax|>|I_Lmmin|，特別是在滿載時(shí)，|I_Lmmax|>>|I_Lmmin|。所以S₂的軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)比S₁要容易得多。因此在具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵是要設(shè)計(jì)S₁的軟開關(guān)條件。首先確定可以承受的最大死區(qū)時(shí)間，然后根據(jù)式(6)及式(3)推算出激磁電感量L_m。在能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的前提下，L_m不宜太小，以免造成開關(guān)管上過大的電流有效值，使開關(guān)的導(dǎo)通損耗過大。

3??? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

??? 設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)方法的正確性。該變換器的規(guī)格和主要參數(shù)如下：

??? 輸入電壓V_in??? 48V；

??? 輸出電壓V_o??? 5V；

??? 輸出電流I_o??? 0～5A；

??? 工作頻率f??? 100kHz；

??? 主開關(guān)S₁，S₂??? IRF730，IRFZ44；

??? 激磁電感L_m??? 70μH；

??? 變壓器原副邊及輔助繞組匝數(shù)比??? 26∶4∶4。

??? 圖4分別給出了輕載（1A）及滿載（5A）時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，從圖4（g）～圖4（j）可以看到開關(guān)管S₁及S₂在輕載和滿載時(shí)都實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)。

（a）Current? of? D(1A)??? （b）Current? of? D(5A)

（c）Current? of? S₂(1A)??? （d）Current? of? S₂(5A)

（e）Current? of? S₁(1A)??? （f）Current? of? S₁(5A)

（g）Soft switching? of? S₁(1A)??? （h）Soft switching? of? S₁(5A)

（i）SoftswitchingofS2(1A)??? （j）SoftswitchingofS2(5A)

圖4??? 實(shí)驗(yàn)波形

4??? 結(jié)語

??? 本文分別分析了電路工作在輕載及滿載時(shí)的情況，即輸出整流二極管分別處于斷續(xù)及連續(xù)狀態(tài)，此兩種狀態(tài)分別有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，斷續(xù)狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)二極管的零電流關(guān)斷，但其電流應(yīng)力較高，而連續(xù)狀態(tài)則剛好相反。因此，可以根據(jù)具體的需要，將電路設(shè)計(jì)在其中一個狀態(tài)或跨越兩種狀態(tài)。

作者簡介

??? 陳世杰(1979－)，男，碩士研究生，現(xiàn)從事電力電子電路拓?fù)涞难芯俊?

??? 呂征宇，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)從事電力電子中的電磁兼容，智能控制，功率變換器和電力電子器件等方面研究。