準諧振軟開關反激變換器的研究

摘要：介紹了一種準諧振軟開關反激變換器。它的主要優點是利用開關兩端的電容與變壓器原邊電感產生的諧振，通過適當控制實現了零電壓開通，減小了開關損耗，提高了變換器的效率。整個電路結構簡單，滿載效率高，空載損耗小。

關鍵詞：準諧振；軟開關；反激變換器

Research on Quasi-resonant Soft Switch Flyback Converter

TENG Fang-hua, ZHANG Zhong-chao

Abstract:A flyback converter , known as Quasi-resonant (QR) ZVS flyback is introduced. When the converter operates in discontinuous mode (DCM), the switching can be turn on with zero voltage by using the resonance between capacitor shunted to drain-source of switch and the inductance of the transformer. The efficiency of converter can be improved with the ZVS operation of the switch. By properly designed, the converter features high efficiency at full load and low loss at stand by condition.

Keywords:Quasi-resonance; Soft switch; Flyback converter

1 引言

現代開關電源發展的一個重要方向是開關的高頻化，因為高頻化可以使開關變換器的體積、重量大大減小，從而提高變換器的功率密度。提高開關頻率可以降低開關電源的音頻噪聲，改善動態響應。實現高頻化，必須降低開關損耗，軟開關技術是減少開關損耗的重要方法之一。軟開關是指零電壓開關（Zero Voltage Switching,ZVS）或零電流開關(Zero Current Switching,ZCS)。它應用諧振的原理使開關變換器中開關管的電壓或電流按正弦或準正弦規律變化，當電壓自然過零時，使器件開通；當電流自然過零時，使器件關斷，實現開關損耗為零，從而可以使開關頻率提高。

反激變換器在低功率場合應用十分廣泛，但是，由于開關管存在容性開通損耗，限制了開關頻率的提高。原理上有很多種方法可實現軟開關，但是大多數開關要承受很高的電壓應力，因此不適合用于輸入電壓比較高的場合。由反激變換器的工作原理可知，當電感電流工作在斷續工作模式（DCM）下，在電感電流減小到零以后，開關兩端電容與變壓器原邊電感產生諧振，本文將研究如何利用產生的諧振來實現開關管的軟開關工作，減小開關管的開通損耗。

2 準諧振軟開關反激變換器工作原理

準諧振軟開關反激變換器工作原理如圖1所示。其中Lm為原邊電感，Lk為原邊漏感，電容Cd包括開關管Q的輸出電容Coss，變壓器的匝間電容以及電路中的其他一些雜散電容。Rp包括變壓器原邊繞組的電阻以及線路電阻。

圖1 準諧振軟開關反激變換器原理圖

根據反激變換器的工作原理，當電路工作在電感電流斷續時，在開關管Q開通時，流過變壓器原邊的電流峰值有：

Ipk,p=ton （1）

式中：Vin為輸入直流電壓；

Lp為初級電感Lp=Lm＋Lk；

ton為開關管導通時間。

圖2為電路工作在DCM模式下開關管Q上的vds波形。

圖2 DCM模式下開關vds波形

從圖2可以看出，在開關管Q關斷之后，Q兩端會產生一個電壓尖峰。這個電壓尖峰是由變壓器漏感Lk和電容Cd振蕩的結果。振蕩的幅值經過幾個周期后減小為零，此后vds保持不變等于Vdss。

Vdss=Vin＋n(Vout＋Vf) (2)

式中：n為變壓器變比；

Vout為輸出電壓；

Vf為副邊整流二極管的導通壓降。

經過一段時間tFW以后，反激能量完全傳送給負載，流過二極管的電流減小到零，副邊二極管截止。變壓器原邊電壓不再被鉗在n(Vout＋Vf)。電容Cd,原邊電感Lp以及電阻Rp將構成一個RLC諧振電路，開關管Q兩端電壓將產生振蕩，如圖2所示。vds的值可以用式(3)表示

vds(t)=Vin＋n(Vout＋Vf)e－αtcos(2πfrt) （3）

式中：α為振蕩的衰減系數；

fr為諧振頻率。

fr= （4）

經過時間tv后，vds到達振蕩的最低點Vds,min

Vds,min=Vin－n(Vout＋Vf) （5）

tv=π （6）

可以看出如果n(Vout＋Vf) Vin，讓開關在tv時刻導通，則開關就能實現零電壓開通。如果n≤(Vout＋Vf)≤Vin，盡管開關無法實現零電壓開通，但是讓開關在tv時刻導通仍然可以在最大程度上減小開關的開通損耗。從以上的分析可以看出，電路零電壓開關工作的條件只與電路的設計參數相關，而與電路的具體工作狀況無關。