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L_m的取值较小，使电流i_Lm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i_Lm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，L_m承受输入电压，激磁电流i_Lm正向线性增加，从负值变为正值。在t₁时刻S₁关断，i_Lm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L_m承受反向电压nV_o（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，L_m上承受电压nV_o，流过L_m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L_m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

        ΔI_Lm=（V_inDT）/L_m    （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：

    I_Lmmax=(VinDT)/2L_m＋I_o/n（2）

    I_Lmmin=(VinDT)/2L_m－I_o/n（3）

式中：I_o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|I_Lmmin|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|I_Lmmax|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L_m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

    (nV_o＋V_in)²(<=)L_m（4）

    S₂的极限条件为

    (nV_o＋V_in)²(<=)L_m（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L_m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

    (nV_o＋V_in)≤|I_Lmmin|t_dead1（6）

    S₂的宽裕条件为

    (nV_o＋V_in)≤|I_Lmmax|t_dead2（7）

式中：t_dead1，t_dead2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I_O>0，比较式（2）与式（3）可知|I_Lmmax|>|I_Lmmin|，特别是在满载时，|I_Lmmax|>>|I_Lmmin|。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L_m。在能实现软开关的前提下，L_m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V_in    48V；

    输出电压V_o    5V；

    输出电流I_o    0～5A；

    工作频率f    100kHz；

    主开关S₁，S₂    IRF730，IRFZ44；

    激磁电感L_m    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。