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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
0??? 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。
圖1??? 帶輔助繞組的flyback變換器
（a）輕載時的電路工作波形
（b）滿載時的電路工作波形
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。
??? 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
??? 
(nVo＋Vin)2(<=)
Lm
（4）
??? S2的極限條件為
??? 
(nVo＋Vin)2(<=)
Lm
（5）
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
??? 
(nVo＋Vin)≤|ILmmin|tdead1（6）
??? S2的寬裕條件為
??? 
(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Vin??? 48V；
??? 輸出電壓Vo??? 5V；
??? 輸出電流Io??? 0～5A；
??? 工作頻率f??? 100kHz；
??? 主開關S1，S2??? IRF730，IRFZ44；
??? 激磁電感Lm??? 70μH；
??? 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。
（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??? 實驗波形
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。
作者簡介
??? 陳世杰(1979－)，男，碩士研究生，現從事電力電子電路拓撲的研究。
??? 呂征宇，男，博士，教授，博士生導師，現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。
工商網監
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