一种带辅助变压器的Flyback变换器ZVS软开关实现方案

一种带辅助变压器的 Flyback 变换器 ZVS 软开关实现 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 （图） 作者：陈世杰 吕征宇 钱照明 文章加入时间：2005 年 7 月 12 日 16:00:58 摘要：提出了一种新颖的 FLYBACK 变换器 ZVS 软开关实现方案。一个较小的辅助变压器与主 变压器串联，通过使辅助变压器原边激磁电感电流双向来达到主开关管的 ZVS 软开关条件。该方 案实现了主辅开关管的 ZVS 软开关，限制了输出整流二极管关断时的 di/dt，并且使变换器在任 何负载情况下，都能在宽输入范围内实现软开关。 关键词：ZVS软开关；辅助变压器；电流双向 引言 在很多通讯和计算机系统中，需要使用高功率密度、高效率的开关电源。提高开关频率可以 减小电感、电容等元件的体积，是目前开关电源提高功率密度的一种趋势。但是，开关频率的提 高，开关器件的损耗也随之增加。 为了减小开关电源的开关损耗，提高其开关频率，软开关技术应运而生。软开关技术主要包 括两种：零电压软开关（ZVS）及零电流软开关（ZCS）。在含有MOSFET开关器件的变换器拓 扑中，零电压软开关要优于零电流软开关。 Flyback变换器电路简单，在小功率场合得到了广泛的应用。基于Flyback变换器的ZVS软开关拓 扑也得到了进一步的发展[2][3][4]。最近几年，有源箝位ZVS软开关技术被提出[5][6][7]，但它也 存在一些缺点[8][9]，比如，轻载时不能实现软开关。 本文提出了一种带辅助变压器的Flyback零电压软开关电路，与有源箝位Flyback零电压软开关 电路相比，它具有以下几个优点： 1）电路在整个负载范围内都能实现软开关； 2）任何负载情况下，电路都可以在宽输入范围中实现软开关； 3）丢失占空比不随输出负载变化而变化，利于电路参数设计。 下面分析了此电路的工作原理及软开关参数的设计，并以实验结果验证了该方案的有效性。 1 工作原理 图 1为本文提出的 Flyback软开关电路，Tr为辅助变压器。其两个开关 S1及 S2互补导通， 中间有一定的死区防止共态导通。主变压器 T 激磁电感 Lm 较大，使电路工作在电流连续模式 （CCM），如图 2中 iLm波形所示。而 Tr的激磁电感 Lmr设计得较小（Lmr Lm　 ），使流过 Lmr 的电流在一个周期内可以反向，如图 2中 iLmr波形所示。考虑到开关的结电容以及死区时间， 一个周期可以分为 7个阶段进行分析，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与 Lmr 串联承受输入电压，流过 Lm及 Lmr 的电流 线性上升。此时间段 式中：Vds2为 S2的漏源电压； Vo为变换器输出电压； N1为 T原边绕组匝数； N2及 N3为 T副边两个绕组匝数； n1及 n2为 Tr原副边两个绕组匝数。 2）阶段 2〔t1～t2〕t1时刻 S1关断，Lm上的电流通过 T耦合到副边，使二极管 D导通， Lm两端电压被箝位在 Lm上的电流线性下降。 Lmr上的电流一部分对 S1的输出结电容 Cr1充电，另一部分通过 Tr耦合对 S2的输出结电 容 Cr2放电。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 的寄生二极管导通，将 S2 的漏源 电压箝位在零电压状态，也就为 S2的零电压导通创造了条件。同时 Lmr两端被箝位在 Lmr上电流线性下降。而 S1的漏源电压被箝位在最大电压 4）阶段 4〔t3～t4〕t3时刻 S2的门极变为高电平，S2零电压开通。流过寄生二极管的电流 流经 S2。Lmr 两端依然承受式（3）所示电压 V1，Lmr 上电流线性下降到零然后反向增加。t4 时刻，S2关断，该阶段结束。此时间段 5）阶段 5〔t4～t5〕t4时刻，Lmr上的电流方向为负，此电流一部分对 S1的输出结电容 Cr1 放电，同时，另一部分通过 Tr耦合到副边对 S2的输出结电容 Cr2充电。到 t5时刻，S1的漏源 电压下降到零，该阶段结束。 6）阶段 6〔t5～t6〕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 电压箝位在零电压状态，为 S1的零电压导通创造了条件。此时，Lmr上的反向电流流经主变压 器，给流过二极管 D的电流 iD叠加上一个电流 此时间段内，二极管 D仍然导通，Lmr两端电压被箝位在 Lmr上电流线性上升。而 S2的漏源电压被箝位在最大电压 7）阶段 7〔t6～t7〕t6时刻，S1的门极变为高电平，S1零电压开通。流过寄生二极管的电 流流经 S1。由于 Lmr两端承受的电压 V1此时较大，iLmr快速上升，到 t7时刻，iLmr=iLm，主 变压器耦合到副边的电流为零，二极管 D自然关断。此时间段= （12）由于 Lmr Lm　 ，式（12）可近似为 接着 Lmr 与 Lm 串联承受输入电压，开始下一个周期。可以看到，在这种方案下，两个开 关 S1和 S2零电压开通，二极管 D零电流关断。 2 软开关的参数设计 假定电路工作在 CCM状态。由于 S2的软开关实现是 iLmrmax对 Cr1及 Cr2充放电，而 S1 的软开关实现是 iLmrmin对 Cr1及 Cr2充放电，在电路满载情况下，|iLmrmax|>>|iLmrmin|，而 且 S2的充电电压要大于放电电压（见图 2波形 vds2），因此，S1的软开关实现要比 S2难得多。 在参数设计中，关键是要考虑 S1的软开关条件。 2.1 主变压器激磁电感 Lm的设定 由于 Lmr的存在，变换器的有效占空比 Deff（根据激磁电感 Lm的充放电时间定义，见图 2） 要小于 S1 的占空比 D，但是，由于 t4～t7 时间内 iLmr 的上升速度非常快，所以，可近似认为 Deff=D。这样，根据 Flyback电路工作在 CCM的条件 式中：η为变换器效率； fs为开关频率；为变换器输出功率。 在实际设计中，为了保证电路在轻载时也能工作在电流连续模式，取定 2.2 主副变压器原副边匝数比设定 根据 Lmr Lm　 ，及变换器输入输出关系有 而根据式（8），为了使输出滤波前电流 io在 t3～t4时间段下降不要太快，最好有 N3≤N2。 另外，为了保证 t1时刻 S1关断时流过副边二极管 D的电流 iD>0，根据式（7）有 2.3 辅助变压器激磁电感 Lmr设定 为了实现 S1的 ZVS软开关，在(1－D)T时间内，激磁电感 Lmr上电流必须反向，即 另外，根据 Lmr与 S1及 S2的输出结电容谐振条件 将式（24）代入式（22）解得 比较式（20）和式（25），Lmr应该根据式（25）来设定。 另外，由式（24）可以发现，输入、输出电压一定时，随着负载的增加，iLmrmax增大〔见 式（19）〕，iLmrmin减小，软开关就越不容易实现。所以，Lmr要根据满载时软开关的实现条件 来设定。而当输入电压为宽范围时，随着输入电压的减小，iLmrmax增加〔由于电路工作在 CCM， 满载时式（19）第二项可以忽略〕，iLmrmin 表达式第一项减小，iLmrmin 减小，软开关就越不 容易实现。所以，对于输出负载、输入电压变化的情况，Lmr要根据输出满载、输入电压最小时 的软开关实现条件来设定。 同时需要指出，在能实现软开关的前提下，Lmr不宜太小，以免造成开关管上过大的电流应 力及导通损耗。 2.4 死区时间的确定 为了实现 S1的软开关，必须保证在 t5～t6时间内，S1开始导通。否则，Lmr上电流反向， 重新对 Cr1充电，这样，S1的 ZVS软开关条件就会丢失。因此，S2关断后、S1开通前的死区 时间设定对开关管 S1的软开关实现至关重要。合适的死区时间为电感 Lmr与 S1及 S2的输出结 电容谐振周期的 1/4，即 一般而言，开关管输出电容是所受电压的 函 关于工期滞后的函关于工程严重滞后的函关于工程进度滞后的回复函关于征求同志党风廉政意见的函关于征求廉洁自律情况的复函 数，为方便起见，在此假设 Cr1及 Cr2恒定。 2.5 有效占空比 Deff的计算 有效占空比 Deff比 S1的占空比 D略小，即 从式（29）可以看出，丢失占空比与输出负载无关。在相同电气规格和电路参数条件下，其 值大概为有源箝位 Flyback变换器满载时丢失占空比的 1/2[7]。 3 实验结果 为了验证上述的 ZVS软开关实现方法，本文设计了一个实验电路，其规格及主要参数如下： 输入电压 Vin40～56V； 输出电压 Vo20V； 输出满载电流 Io3A； 工作频率 f100kHz； S1及 S2IRF640； 主变压器激磁电感 Lm222µH； 主变压器原副边匝数 N1：N2：N339：15：15； 辅助变压器激磁电感 Lmr10µH； 辅助变压器原副边匝数 n1：n213：13。 图 4给出的是负载电流 Io=2.5A时，输出滤波前电流及流过副边二极管 D电流的实验波形， 其结果与理论分析相吻合。图 5～图 8分别给出了 S1和 S2在轻载及满载时的驱动电压、漏源极 电压和所流过电流的实验波形。从图中可以看出，当驱动电压为正时，开关管的漏源极电压已经 为零，是零电压开通。而当开关管关断时，其结电容限制了漏源极电压的上升率，是零电压关断， 由此说明 S1及 S2在轻载及满载时都实现了 ZVS[10]。从开关管漏源极电压与所流过电流的比较 也可以看出实现了 ZVS。 图 9给出了变换器效率曲线。图 9（a）为输入电压一定，负载电流不同时的变换效率曲线， 可以看出，满载时效率最高，为 91.35％。图 9（b）为负载电流一定，输入电压不同时的变换效 率曲线，可以看到，效率随输入电压变化而变化的范围很小。 4 结语 本文提出了一种 Flyback 变换器 ZVS 软开关拓扑，分析了其工作原理及其软开关参数的设 计方法。由于软开关参数的设计（关键是辅助变压器原边激磁电感 Lmr 的设计）是根据满载及 最小输入电压时的工作情况设计的，而随着负载的减轻和输入电压的增加，ZVS 软开关的实现 也越容易。因此，该软开关拓扑可以工作在宽输入范围及任何负载范围，与有源箝位软开关拓扑 相比具有一定的优点，可以作为应用于通讯、计算机系统等高功率密度场合的一种选择。 一种带辅助变压器的Flyback 变换器ZVS软开关实现方案（图）