一种Flyback软开关实现方法

1、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

2、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。1）阶段1t0，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S

3、1关断，iLm达到最大值，该阶段结束。2）阶段2t1，t2S1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3t2，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4t3，t4t3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

4、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5t4，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6t5，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7t6，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

5、，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ILm=（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)/2LmIo/n （2）ILmmin=(VinDT)

6、/2LmIo/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S2的极限条件为式中：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

7、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(C2/n2+C1)(nVoVin)|ILmmin|tdead1 （6）S2的宽裕条件为(C2/n2+C1)(nVoVin) |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IO0，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

8、(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输入电压Vin48V；输出电压Vo5V；输出电流Io05A；工作频率f100kHz；主开关S1，S2IRF730，IRFZ44；激磁电感Lm70H；变压器原副边及辅助绕组匝数比2644。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。4 结语本文分