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一種Flyback軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)方法
摘要:提出了一種Flyback電路ZVS軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)方法,即通過(guò)附加一個(gè)繞組,使激磁電感電流反向,從而來(lái)創(chuàng)造Flyback電路主開(kāi)關(guān)的ZVS軟開(kāi)關(guān)條件;分析了其工作原理及電路參數(shù)的設(shè)計(jì);最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該電路的工作原理及有效性。關(guān)鍵詞:Flyback電路;軟開(kāi)關(guān);輔助繞組
引言
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。
本文提出了一種帶輔助繞組的Flyback零電壓軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)對(duì)該電路的工作原理分析及實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,驗(yàn)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(kāi)關(guān)電路,輔助繞組的匝數(shù)與輸出繞組相同。開(kāi)關(guān)管S1與S2互補(bǔ)導(dǎo)通,之間有一定的死區(qū)防止共態(tài)導(dǎo)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(dá)到主開(kāi)關(guān)S1的ZVS軟開(kāi)關(guān)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(shí)的工作狀況有略微不同,下文將具體分析電路輕載時(shí)的工作原理,滿載時(shí)的工作原理將簡(jiǎn)要說(shuō)明。考慮到開(kāi)關(guān)的結(jié)電容以及死區(qū)時(shí)間,電路輕載時(shí)一個(gè)周期可以分為7個(gè)階段,其各個(gè)階段的等效電路如圖3所示。其工作原理描述如下。
1)階段1〔t0,t1〕該階段S1導(dǎo)通,Lm承受輸入電壓,激磁電流iLm正向線性增加,從負(fù)值變?yōu)檎怠T趖1時(shí)刻S1關(guān)斷,iLm達(dá)到最大值,該階段結(jié)束。
2)階段2〔t1,t2〕S1關(guān)斷后,激磁電感電流開(kāi)始下降,其中一部分對(duì)S1的輸出結(jié)電容充電,S1的漏源電壓線性上升;同時(shí)另一部分通過(guò)變壓器耦合到副邊使S2的輸出結(jié)電容放電,S2的漏源電壓可以近似認(rèn)為線性下降,t2時(shí)刻S2的漏源電壓下降到零,該階段結(jié)束。
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),也就是為S2的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。同時(shí)二極管D也導(dǎo)通。
4)階段4〔t3,t4〕t3時(shí)刻S2的門(mén)極變?yōu)楦唠娖,S2零電壓開(kāi)通。激磁電感Lm承受反向電壓nVo(n為變壓器原副邊匝數(shù)比),Lm上電流線性下降,t4時(shí)刻下降到零,通過(guò)開(kāi)關(guān)管S2及二極管D的電流也同時(shí)下降到零,該階段結(jié)束。
5)階段5〔t4,t5〕通過(guò)二極管D的電流下降到零以后,二極管D自然關(guān)斷。而S2繼續(xù)導(dǎo)通,Lm上承受電壓nVo,流過(guò)Lm的電流從零開(kāi)始反向線性增加。t5時(shí)刻S2關(guān)斷,該階段結(jié)束。
6)階段6〔t5,t6〕此時(shí)激磁電感Lm上的電流方向?yàn)樨?fù),此電流一部分使S1的輸出結(jié)電容放電,使S1的漏源電壓可以近似認(rèn)為線性下降;同時(shí)另一部分通過(guò)變壓器耦合到副邊對(duì)S2的輸出結(jié)電容充電,使S2的漏源電壓線性上升。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。t7時(shí)刻接著S1在零電壓條件下導(dǎo)通,進(jìn)入下一個(gè)周期?梢钥吹剑瑑蓚(gè)開(kāi)關(guān)S1和S2都實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)。
以上分析的是電路輕載時(shí)的工作原理,電路滿載時(shí)的工作原理與輕載時(shí)略有差別,即不存在二極管D電流下降到零自然關(guān)斷的環(huán)節(jié),二極管D的電流在開(kāi)關(guān)管S2關(guān)斷以后才逐步下降到零,如圖2(b)所示。
2 軟開(kāi)關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)
這里軟開(kāi)關(guān)的參數(shù)設(shè)計(jì)主要是變壓器激磁電感的設(shè)計(jì)。
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(kāi)關(guān)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+I(xiàn)o/n (2)
ILmmin=(VinDT)/2Lm-Io/n (3)
式中:Io是負(fù)載電流。
圖3
從上面的原理分析中可以看到S1的軟開(kāi)關(guān)條件是由|ILmmin|使S1的輸出結(jié)電容放電,同時(shí)通過(guò)變壓器對(duì)S2的輸出結(jié)電容充電來(lái)創(chuàng)造的;而S2的軟開(kāi)關(guān)條件是由|ILmmax|對(duì)S1的輸出結(jié)電容充電,同時(shí)通過(guò)變壓器使S2的輸出結(jié)電容放電來(lái)創(chuàng)造的。S1及S2的軟開(kāi)關(guān)極限條件為儲(chǔ)存在Lm上的能量對(duì)S1和S2的輸出結(jié)電容充放電,足以令其中一結(jié)電容放電到零,而另一結(jié)電容充電到最大。
這樣S1的極限條件為
S2的極限條件為
式中:C1,C2分別為S1和S2的輸出結(jié)電容。
由于在實(shí)際電路中死區(qū)時(shí)間比較小,因此可以近似認(rèn)為在死區(qū)時(shí)間內(nèi)電感Lm上的電流保持不變,即為一個(gè)恒流源對(duì)開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容進(jìn)行放電。在這種情況下的軟開(kāi)關(guān)條件稱為寬裕條件。
S1的寬裕條件為
(C2/n2 C1)(nVo+Vin)≤
|ILmmin|tdead1 (6)
S2的寬裕條件為
(C2/n2 C1)(nVo+Vin)≤
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