一種有源箝位Flyback軟開關(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，并對其軟開關(guān)參數(shù)重新設(shè)計(jì)。該方案不但能實(shí)現(xiàn)主輔開關(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關(guān)損耗，同時(shí)也有效地降低了開關(guān)管的電壓應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：零電壓開關(guān)；電流反向；有源箝位

0引言

Flyback變換器由于其電路簡單，在小功率場合被普遍采用。但是，由于變壓器漏感的存在，引起開關(guān)管上過高的電壓應(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)。而提高開關(guān)頻率可以減小電感、電容等元件的體積。但是，開關(guān)頻率提高的瓶頸是開關(guān)器件的開關(guān)損耗，于是軟開關(guān)技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生。一般，要實(shí)現(xiàn)比較理想的軟開關(guān)效果，都需要有一個(gè)或一個(gè)以上的輔助開關(guān)為主開關(guān)創(chuàng)造軟開關(guān)的條件，同時(shí)希望輔助開關(guān)本身也能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。

本文介紹的一種有源嵌位Flyback軟開關(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變換器中存在的問題。

1 工作原理

電路如圖1所示，其兩個(gè)開關(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L_m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i_Lm波形所示。而電感L_r設(shè)計(jì)得較小（L_rL_m），使流過L_r的電流在一個(gè)周期內(nèi)可以反向，如圖2的i_Lr波形所示。考慮到開關(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。

圖1 有源箝位Flyback變換器

圖2 主要工作波形

（a）Stage1[t₀，t₁] （b）Stage2[t₁，t₂] （c）Stage3[t₂，t₃]

（d）Stage4[t₃，t₄] （e）Stage5[t₄，t₅] （f）Stage6[t₅，t₆]

（g）Stage7[t₆，t₇] （h）Stage8[t₇，t₈]

圖3 各階段等效電路

1）階段1〔t₀，t₁〕 該階段S₁導(dǎo)通，L_m與L_r串聯(lián)承受輸入電壓，流過L_m及L_r的電流線性上升。

V₂=V_in（1）

由于L_rL_m，所以式（1）可簡化為

V₂≈V_in(2)

2）階段2〔t₁，t₂〕 t₁時(shí)刻S₁關(guān)斷，L_m及L_r上的電流給S₁的輸出結(jié)電容C_r1充電，同時(shí)使S₂的輸出結(jié)電容C_r2放電。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)。L_r和L_m串聯(lián)與嵌位電容C_clamp諧振，C_clamp上電壓v_c緩慢上升，v₂上電壓也緩慢上升。

v₂=v_c（3）

4）階段4〔t₃，t₄〕 t₃時(shí)刻S₂的門極變?yōu)楦唠娖剑琒₂零電壓開通。流過寄生二極管的電流流經(jīng)S₂。此時(shí)間段依然維持L_r和L_m串聯(lián)與嵌位電容C_clamp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－NV_o。L_r與C_clamp諧振。在保證t₅時(shí)刻L_r電流反向的情況下，其諧振周期應(yīng)該滿足

（4）

式中：t_off為主開關(guān)管S₁一個(gè)周期內(nèi)的關(guān)斷時(shí)間。

t₅時(shí)刻S₂關(guān)斷，該階段結(jié)束。

6）階段6〔t₅，t₆〕 t₅時(shí)刻L_r上的電流方向?yàn)樨?fù)，此電流一部分使S₁的輸出結(jié)電容C_r1放電，另一部分對S₂的輸出結(jié)電容C_r2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)，L_r上的承受電壓v₁為

v₁=V_in＋NV_o（5）

L_r上電流快速上升。流過副邊整流二極管D電流i_D則快速下降。

=－N（6）

考慮到L_rL_m，式（6）可簡化為

=－N（7）

8）階段8〔t₇，t₈〕 t₇時(shí)刻S₁的門極變?yōu)楦唠娖剑琒₁零電壓開通，流過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，電路開始進(jìn)入下一個(gè)周期。

可以看到，在這種方案下，兩個(gè)開關(guān)S₁和S₂實(shí)現(xiàn)了零電壓開通，二極管D自然關(guān)斷。