一种Flyback软开关实现方法_电源技术论文
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。
图3
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)(nvo＋vin)≤
|ilmmin|tdead1 （6）
s2的宽裕条件为
(c2/n2+c1)(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韡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vin48v；
输出电压vo5v；
输出电流io0～5a；
工作频率f100khz；
主开关s1，s2irf730，irfz44；
激磁电感lm70μh；
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。
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。