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一種有源箝位Flyback軟開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)
摘要：介紹了一種有源箝位Flyback變換器ZVS實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)其軟開(kāi)關(guān)參數(shù)重新設(shè)計(jì)。該方案不但能實(shí)現(xiàn)主輔開(kāi)關(guān)管的ZVS，限制輸出整流二極管關(guān)斷時(shí)的di/dt，減小整流二極管的開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)也有效地降低了開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力。引言
Flyback變換器由于其電路簡(jiǎn)單，在小功率場(chǎng)合被普遍采用。但是，由于變壓器漏感的存在，引起開(kāi)關(guān)管上過(guò)高的電壓應(yīng)力。普通的RCD嵌位Flyback變換器其漏感能量消耗在嵌位電阻R上，開(kāi)關(guān)管上電壓應(yīng)力的大小取決于消耗在嵌位電阻上能量的大小。消耗在嵌位電阻上的能量越多，開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力就越低，但也影響了整個(gè)變換器的效率，因此，普通的RCD嵌位Flyback變換器總存在著開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力與整個(gè)變換器效率之間的矛盾。
輕小化是目前電源產(chǎn)品追求的目標(biāo)。而提高開(kāi)關(guān)頻率可以減小電感、電容等元件的體積。但是，開(kāi)關(guān)頻率提高的瓶頸是開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗，于是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生。一般，要實(shí)現(xiàn)比較理想的軟開(kāi)關(guān)效果，都需要有一個(gè)或一個(gè)以上的輔助開(kāi)關(guān)為主開(kāi)關(guān)創(chuàng)造軟開(kāi)關(guān)的條件，同時(shí)希望輔助開(kāi)關(guān)本身也能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。
本文介紹的一種有源嵌位Flyback軟開(kāi)關(guān)電路，不但能實(shí)現(xiàn)ZVS，而且也解決了前述的普通RCD嵌位Flyback變換器中存在的問(wèn)題。
1 工作原理
電路如圖1所示，其兩個(gè)開(kāi)關(guān)S1及S2互補(bǔ)導(dǎo)通，中間有一定的死區(qū)以防止共態(tài)導(dǎo)通。變壓器激磁電感Lm設(shè)計(jì)得較大，使電路工作在電流連續(xù)模式（CCM），如圖2的iLm波形所示。而電感Lr設(shè)計(jì)得較�。↙r?Lm），使流過(guò)Lr的電流在一個(gè)周期內(nèi)可以反向，如圖2的iLr波形所示�？紤]到開(kāi)關(guān)的結(jié)電容以及死區(qū)時(shí)間，一個(gè)周期可以分為8個(gè)階段，各個(gè)階段的等效電路如圖3所示。其工作原理如下。
1）階段1〔t0，t1〕該階段S1導(dǎo)通，Lm與Lr串聯(lián)承受輸入電壓，流過(guò)Lm及Lr的電流線性上升。
V2=Vin(Lin/Lm Lr) （1）
由于Lr?Lm，所以式（1）可簡(jiǎn)化為
V2≈Vin (2)
2）階段2〔t1，t2〕t1時(shí)刻S1關(guān)斷，Lm及Lr上的電流給S1的輸出結(jié)電容Cr1充電，同時(shí)使S2的輸出結(jié)電容Cr2放電。t2時(shí)刻S2的漏源電壓下降到零，該階段結(jié)束。
圖2
3）階段3〔t2，t3〕當(dāng)S2的漏源電壓下降到零之后，S2的寄生二極管就導(dǎo)通，將S2的漏源電壓箝位在零電壓狀態(tài)。Lr和Lm串聯(lián)與嵌位電容Cclamp諧振，Cclamp上電壓vc緩慢上升，v2上電壓也緩慢上升。
v2=(Lm/Lm Lr)vc （3）
4）階段4〔t3，t4〕t3時(shí)刻S2的門極變?yōu)楦唠娖剑琒2零電壓開(kāi)通。流過(guò)寄生二極管的電流流經(jīng)S2。此時(shí)間段依然維持Lr和Lm串聯(lián)與嵌位電容Cclamp諧振，v2緩慢上升。
5）階段5〔t4，t5〕t4時(shí)刻v2上升到一定的電壓使副邊二極管D導(dǎo)通，v2被嵌位在－NVo。Lr與Cclamp諧振。在保證t5時(shí)刻Lr電流反向的情況下，其諧振周期應(yīng)該滿足
式中：toff為主開(kāi)關(guān)管S1一個(gè)周期內(nèi)的關(guān)斷時(shí)間。
圖3
t5時(shí)刻S2關(guān)斷，該階段結(jié)束。
6）階段6〔t5，t6〕t5時(shí)刻Lr上的電流方向?yàn)樨?fù)，此電流一部分使S1的輸出結(jié)電容Cr1放電，另一部分對(duì)S2的輸出結(jié)電容Cr2充電。t6時(shí)刻S1的漏源電壓下降到零，該階段結(jié)束。
7）階段7〔t6，t7〕當(dāng)S1的漏源電壓下降到零之后，S1的寄生二極管就導(dǎo)通，將S1的漏源電壓箝在零電壓狀態(tài)，也就為S1的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。此時(shí)，Lr上的承受電壓v1為
v1=Vin＋NVo （5）
Lr上電流快速上升。流過(guò)副邊整流二極管D電流iD則快速下降。
diD/dt=－N[Vin NVo]/Lr NVo/Lm) （6）
考慮到Lr?Lm，式（6）可簡(jiǎn)化為
diD/dt=－N(Vin NVo)/Lr （7）
8）階段8〔t7，t8〕t7時(shí)刻S1的門極變?yōu)楦唠娖�，S1零電壓開(kāi)通，流過(guò)寄生二極管的電流流經(jīng)S1。t8時(shí)刻副邊整流二極管D電流下降到零，D自然關(guān)斷，電路開(kāi)始進(jìn)入下一個(gè)周期。
可以看到，在這種方案下，兩個(gè)開(kāi)關(guān)S1和S2實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通，二極管D自然關(guān)斷。
2 軟開(kāi)關(guān)的參數(shù)設(shè)計(jì)
假定電路工作在CCM狀態(tài)。由于S2的軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)是Lr與Lm聯(lián)合對(duì)Cr1及Cr2充?電，而S1的軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)是單獨(dú)的Lr對(duì)Cr1及Cr2充放電。因此，S2的軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)比較容易，而S1的軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)相對(duì)來(lái)說(shuō)要難得多。所以，在參數(shù)設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵是要考慮S1的軟開(kāi)關(guān)條件。
電流連續(xù)模式有源嵌位Flyback變換器ZVS設(shè)計(jì)步驟如下所述。
2.1 變壓器激磁電感Lm的設(shè)定
由于Lr的存在，變換器的有效占空比Deff（根據(jù)激磁電感Lm的充放電時(shí)間定義，見(jiàn)圖2）要小于S1的占空比D，但是由于t5～t8時(shí)刻iLr的上升速度非常的快，所以可近似地認(rèn)為Deff=D。這樣，根據(jù)Flyback電路工作在CCM條件，則
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