一种Flyback软开关实现方法

一种Flyback软开关实现方法

摘要：提出了一种Flyback电路ZVS软开关实现方法，即通过附加一个绕组，使激磁电感电流反向，从而来创造Flyback电路主开关的ZVS软开关条件；分析了其工作原理及电路参数的设计；最后的实验结果验证了该电路的工作原理及有效性。

关键词：Flyback电路；软开关；辅助绕组

0    引言

    轻小化是目前电源产品追求的目标。而提高开关频率可以减小电感、电容等元件的体积。但是，开关频率提高的瓶颈是开关器件的开关损耗。于是软开关技术就应运而生。

    本文提出了一种带辅助绕组的Flyback零电压软开关实现方法。通过对该电路的工作原理分析及实验的结果，验证了该电路的可行性。

1    工作原理

    图1所示的即为本文所提出的软开关电路，辅助绕组的匝数与输出绕组相同。开关管S1与S2互补导通，之间有一定的死区防止共态导通，如图2所示。电路中激磁电感Lm的取值较小，使电流iLm可以反向以达到主开关S1的ZVS软开关条件，如图2（a）及图2（b）中iLm波形所示。由于电路在轻载及满载时的工作状况有略微不同，下文将具体分析电路轻载时的工作原理，满载时的工作原理将简要说明。考虑到开关的结电容以及死区时间，电路轻载时一个周期可以分为7个阶段，其各个阶段的等效电路如图3所示。其工作原理描述如下。

图1    带辅助绕组的flyback变换器

（a）轻载时的电路工作波形

（b）满载时的电路工作波形

图2    电路主要工作波形

（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]

图3    各阶段等效电路图

    1）阶段1〔t0，t1〕    该阶段S1导通，Lm承受输入电压，激磁电流iLm正向线性增加，从负值变为正值。在t1时刻S1关断，iLm达到最大值，该阶段结束。

    2）阶段2〔t1，t2〕    S1关断后，激磁电感电流开始下降，其中一部分对S1的输出结电容充电，S1的漏源电压线性上升；同时另一部分通过变压器耦合到副边使S2的输出结电容放电，S2的漏源电压可以近似认为线性下降，t2时刻S2的漏源电压下降到零，该阶段结束。

    3）阶段3〔t2，t3〕    当S2的漏源电压下降到零之后，S2的寄生二极管就导通，将S2的漏源电压箝位在零电压状态，也就是为S2的零电压导通创造了条件。同时二极管D也导通。

    4）阶段4〔t3，t4〕    t3时刻S2的门极变为高电平，S2零电压开通。激磁电感Lm承受反向电压nVo（n为变压器原副边匝数比），Lm上电流线性下降，t4时刻下降到零，通过开关管S2及二极管D的电流也同时下降到零，该阶段结束。

    5）阶段5〔t4，t5〕    通过二极管D的电流下降到零以后，二极管D自然关断。而S2继续导通，Lm上承受电压nVo，流过Lm的电流从零开始反向线性增加。t5时刻S2关断，该阶段结束。

    6）阶段6〔t5，t6〕    此时激磁电感Lm上的电流方向为负，此电流一部分使S1的输出结电容放电，使S1的漏源电压可以近似认为线性下降；同时另一部分通过变压器耦合到副边对S2的输出结电容充电，使S2的漏源电压线性上升。t6时刻S1的漏源电压下降到零，该阶段结束。

    7）阶段7〔t6，t7〕    当S1的漏源电压下降到零之后，S1的寄生二极管导通，将S1的漏源电压箝在零电压状态，也就为S1的零电压导通创造了条件。t7时刻接着S1在零电压条件下导通，进入下一个周期。可以看到，两个开关S1和S2都实现了软开关。

    以上分析的是电路轻载时的工作原理，电路满载时的工作原理与轻载时略有差别，即不存在二极管D电流下降到零自然关断的环节，二极管D的电流在开关管S2关断以后才逐步下降到零，如图2（b）所示。

2    软开关参数设计

    这里软开关的参数设计主要是变压器激磁电感的设计。

    激磁电感电流的峰峰值可以表示为

        ΔILm=（VinDT）/Lm    （1）

式中：D为占空比；

      T为开关周期。

    则激磁电感电流的最大值和最小值可以表示为：

    ILmmax=(VinDT)/2Lm＋Io/n（2）

    ILmmin=(VinDT)/2Lm－Io/n（3）

式中：Io是负载电流。

    从上面的原理分析中可以看到S1的软开关条件是由|ILmmin|使S1的输出结电容放电，同时通过变压器对S2的输出结电容充电来创造的；而S2的软开关条件是由|ILmmax|对S1的输出结电容充电，同时通过变压器使S2的输出结电容放电来创造的。

    S1及S2的软开关极限条件为储存在Lm上的能量对S1和S2的输出结电容充放电，足以令其中一结电容放电到零，而另一结电容充电到最大。

    这样S1的极限条件为

    (nVo＋Vin)2(<=)Lm（4）

    S2的极限条件为

    (nVo＋Vin)2(<=)Lm（5）

式中：C1，C2分别为S1和S2的输出结电容。

    由于在实际电路中死区时间比较小，因此可以近似认为在死区时间内电感Lm上的电流保持不变，即为一个恒流源对开关管的结电容进行放电。在这种情况下的软开关条件称为宽裕条件。

    S1的宽裕条件为

    (nVo＋Vin)≤|ILmmin|tdead1（6）

    S2的宽裕条件为

    (nVo＋Vin)≤|ILmmax|tdead2（7）

式中：tdead1，tdead2分别为S1及S2开通前的死区时间。

    由于能量由电源向负载传送，即负载电流IO>0，比较式（2）与式（3）可知|ILmmax|>|ILmmin|，特别是在满载时，|ILmmax|>>|ILmmin|。所以S2的软开关实现比S1要容易得多。因此在具体的实验设计中，关键是要设计S1的软开关条件。首先确定可以承受的最大死区时间，然后根据式(6)及式(3)推算出激磁电感量Lm。在能实现软开关的前提下，Lm不宜太小，以免造成开关管上过大的电流有效值，使开关的导通损耗过大。

3    实验结果

    设计了一个48V输入、5V/5A输出的带辅助绕组的Flyback电路模型，给出了实验结果，进一步验证了上述软开关实现方法的正确性。该变换器的规格和主要参数如下：

    输入电压Vin    48V；

    输出电压Vo    5V；

    输出电流Io    0～5A；

    工作频率f    100kHz；

    主开关S1，S2    IRF730，IRFZ44；

    激磁电感Lm    70μH；

    变压器原副边及辅助绕组匝数比    26∶4∶4。

    图4分别给出了轻载（1A）及满载（5A）时的实验波形，从图4（g）～图4（j）可以看到开关管S1及S2在轻载和满载时都实现了软开关。

（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)

图4    实验波形

4    结语

    本文分别分析了电路工作在轻载及满载时的情况，即输出整流二极管分别处于断续及连续状态，此两种状态分别有自己的优缺点，断续状态可以实现二极管的零电流关断，但其电流应力较高，而连续状态则刚好相反。因此，可以根据具体的需要，将电路设计在其中一个状态或跨越两种状态。

作者简介

    陈世杰(1979－)，男，硕士研究生，现从事电力电子电路拓扑的研究。

    吕征宇，男，博士，教授，博士生导师，现从事电力电子中的电磁兼容，智能控制，功率变换器和电力电子器件等方面研究。