有源箝位Flyback软开关电路设计

1、有源箝位 Flyback 软开关电路设计 有源箝位 Flyback 软 介绍了一种有源箝位 Flyback 变换器 ZVS 实现方法，并对其软开关参数重新设计。该方案不但能实现主辅开关管的 ZVS，限制输出整流二极管关断时的 di/dt，减小整流二极管的开关损耗，同时也有效地降低了开关管的电压应力。 关键词：关键词：零电压开关；电流反向；有源箝位 Flyback 变换器由于其电路简单，在小功率场合被普遍采用。但是，由于变压器漏感的存在，引起开关管上过高的电压应力。普通的 RCD 嵌位Flyback 变换器其漏感能量消耗在嵌位 轻小化是目前 本文介绍的一种有源嵌位 Flyback 软开关电路，不

2、但能实现 ZVS，而且也解决了前述的普通 RCD 嵌位Flyback 变换器中存在的问题。 1 1 工作原理工作原理 电路如图 1 所示，其两个开关 S1 及 S2 互补导通，中间有一定的死区以防止共态导通。变压器激磁电感 Lm 设计得较大，使电路工作在电流连续模式（CCM），如图 2 的 iLm 波形所示。而电感 Lr 设计得较小（），使流过Lr 的电流在一个周期内可以反向，如图 2 的 iLr 波形所示。考虑到开关的结电容以及死区时间，一个周期可以分为 8 个阶段，各个阶段的等效电路如图 3 所示。其工作原理如下。 1）阶段 1t0，t1该阶段 S1 导通，Lm 与 Lr 串联承受输入电压

3、，流过 Lm 及 Lr 的电流线性上升。 V2=Vin(Lin/Lm+Lr) （1） 由于，所以式（1）可简化为 V2Vin (2) 2）阶段 2t1，t2t1 时刻 S1 关断，Lm 及 Lr 上的电流给 S1 的输出结电容 Cr1 v2=(Lm/Lm+Lr)vc （3） 4）阶段 4t3，t4t3 时刻 S2 的门极变为高电平，S2 零电压开通。流过寄生二极管的电流流经S2。此时间段依然维持 Lr 和 Lm 串联与嵌位电容 Cclamp 谐振，v2 缓慢上升。 5）阶段 5t4，t5t4 时刻 v2 上升到一定的电压使副边二极管 D 导通，v2 被嵌位在NVo。Lr 与 Cclamp 谐振

4、。在保证 t5 时刻 Lr 电流反向的情况下，其谐振周期应该满足 式中：toff 为主开关管 S1 一个周期内的关断时间。 t5 时刻 S2 关断，该阶段结束。 6）阶段 6t5，t6t5 时刻 Lr 上的电流方向为负，此电流一部分使 S1 的输出结电容 Cr1 放电，另一部分对 S2 的输出结电容 Cr2 充电。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 的寄生二极管就导通，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。此时，Lr 上的承受电压 v1 为 v1=VinNVo （5） Lr 上电流快

5、速上升。流过副边整流二极管 D 电流 iD 则快速下降。 diD/dt=NVin+NVo/Lr+NVo/Lm) （6） 考虑到，式（6）可简化为 diD/dt=N(Vin+NVo)/Lr （7） 8）阶段 8t7，t8t7 时刻 S1 的门极变为高电平，S1 零电压开通，流过寄生二极管的电流流经 S1。t8 时刻副边整流二极管 D 电流下降到零，D 自然关断，电路开始进入下一个周期。 可以看到，在这种方案下，两个开关 S1 和 S2 实现了零电压开通，二极管 D 自然关断。 2 软开关的参数设计 假定电路工作在 CCM 状态。由于 S2 的软开关实现是 Lr 与Lm 联合对 Cr1 及 Cr2

6、 充?电，而 S1 的软开关实现是单独的 Lr 对 Cr1 及 Cr2 充放电。因此，S2 的软开关实现比较容易，而 S1 的软开关实现相对来说要难得多。所以，在参数设计中，关键是要考虑 S1 的软开关条件。 电流连续模式有源嵌位 Flyback 变换器 ZVS 设计步骤如下所述。 2.1 变压器激磁电感 Lm 的设定 由于 Lr 的存在，变换器的有效占空比 Deff（根据激磁电感 Lm 的充放电时间定义，见图 2）要小于 S1 的占空比 D，但是由于 t5t8 时刻 iLr 的上升速度非常的快，所以可近似地认为 Deff=D。这样，根据 Flyback 电路工作在 CCM 条件，则 式中：

7、为变换器效率； fs 为开关频率； PoCCM 为变换器的输出功率。 在实际设计中，为了保证电路在轻载时也能工作在电流连续模式，Lm 一般取为 2.2 电感 Lr 的设定 为了实现 S1 的 ZVS，t5 时刻储存在 Lr 内的能量足以令 S1 的输出结电容 Cr1 放电到零，同时使 S2 的输出结电容 Cr2 充电到最大。即 式中：vds=vds1=vds2VinNVo； Cr=Cr1Cr2。 根据式（4）取定合适的谐振周期可以令 2.3 电容 Cclamp 的设定 根据式（4）有 在满足式（15）的前提下，取定合适的 Cclamp 令 iLrmax=iLrmin。 2.4 死区时间的确定

8、为了实现 S1 的 ZVS，必须保证在 t6 到 t7 时间内，S1 开始导通。否则 Lr 上电流反向，重新对 Cr1 充电，这样 S1 的 ZVS 条件就会丢失。因此，S2 关断后、S1 开通前的死区时间设定对 S1 的 ZVS 实现至关重要。合适的死区时间为电感 Lr 与 S1 及 S2 的输出结电容谐振周期的 1/4，即 严格地讲，开关管输出结电容是所受电压的函数，为方便起见，在此假设 Cr1 与 Cr2 恒定。 2.5 有效占空比 Deff 的计算 有效占空比 Deff 比开关管 S1 的占空比 D 略小。 Deff=DD（17） (Vin+NVo)/LrDT2(P/DVin) （18

9、） D2PLrfs/DVin(Vin+NVo) （19） 代入式（17）得 Deff=D2PLrfs/(DVin(Vin+NV0) （20） 2.6 开关管电压应力计算 Vs1,s2VinNVo(2PLrfs/DVin(1-D) （21） 式（21）中第三项相对来说较小，故开关管的电压应力接近于 VinNVo。 3 3 实验结果实验结果 为了验证上述 ZVS 的实现方法，设计了一个实验电路，其规格及主要参数如下： 输入电压 Vin48V； 输出电压 Vo12V； 输出电流 Io05A； 工作频率 f100kHz； 主开关 S1 及 S2IRF640； 变压器激磁电感 Lm144H； 变压器原副边匝数比 n=N8/3； 电感 Lr10H； 电容 Cclamp2F。 图 4 给出的是负载电流 Io=2A 时的实验波形。从图 4（e）及图 4（f）可以看到，S1 和 S2 都实现了 ZVS。图 5 给出了两种 Flyback 电路的效率曲线，可以看到，有源嵌位F