一种Flyback软开关实现方法气垫膜

2022-07-29 08:24

一种Flyback软开关实现方法

一种Flyback软开关实现方法 2011年12月10日 来源: 摘要:提出了一种Flyback电路ZVS软开关实现方法,即通过附加一个绕组,使激磁电感电流反向,从而来创造Flyback电路主开关的ZVS软开关条件;分析了其工作原理及电路参数的设计;最后的实验结果验证了该电路的工作原理及有效性。

关键词:Flyback电路;软开关;辅助绕组

0 引言

轻小化是目前电源产品追求的目标。而提高开关频率可以减小电感、电容等元件的体积。但是,开关频率提高的瓶颈是开关器件的开关损耗。于是软开关技术就应运而生。

本文提出了一种带辅助绕组的Flyback零电压软开关实现方法。通过对该电路的工作原理分析及实验的结果,验证了该电路的可行性。

1 工作原理

图1所示的即为本文所提出的软开关电路,辅助绕组的匝数与输出绕组相同。开关管S1与S2互补导通,之间有一定的死区防止共态导通,如图2所示。电路中激磁电感Lm的取值较小,使电流iLm可以反向以达到主开关S1的ZVS软开关条件,如图2(a)及图2(b)中iLm波形所示。由于电路在轻载及满载时的工作状况有略微不同,下文将具体分析电路轻载时的工作原理,满载时的工作原理将简要说明。考虑到开关的结电容以及死区时间,电路轻载时一个周期可以分为7个阶段,其各个阶段的等效电路如图3所示。其工作原理描述如下。

图1 带辅助绕组的flyback变换器

(a)轻载时的电路工作波形

(b)满载时的电路工作波形

图2 电路主要工作波形

(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]

图3 各阶段等效电路图

1)阶段1〔t0,t1〕 该阶段S1导通,Lm承受输入电压,激磁电流iLm正向线性增加,从负值变为正值。在t1时刻S1关断,iLm达到最大值,该阶段结束。

2)阶段2〔t1,t2〕 S1关断后,激磁电感电流开始下降,其中一部分对S1的输出结电容充电,S1的漏源电压线性上升;同时另一部分通过变压器耦合到副边使S2的输出结电容放电,S2的漏源电压可以近似认为线性下降,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的寄生二极管就导通,将S2的漏源电压箝位在零电压状态,也就是为S2的零电压导通创造了条件。同时二极管D也导通。

4)阶段4〔t3,t4〕 t3时刻S2的门极变为高电平,S2零电压开通。激磁电感Lm承受反向电压nVo(n为变压器原副边匝数比),Lm上电流线性下降,t4时刻下降到零,通过开关管S2及二极管D的电流也同时下降到零,该阶段结束。

5)阶段5〔t4,t5〕 通过二极管D的电流下降到零以后,二极管D自然关断。而S2继续导通,Lm上承受电压nVo,流过Lm的电流从零开始反向线性增加。t5时刻S2关断,该阶段结束。

6)阶段6〔t5,t6〕 此时激磁电感Lm上的电流方向为负,此电流一部分使S1的输出结电容放电,使S1的漏源电压可以近似认为线性下降;同时另一部分通过变压器耦合到副边对S2的输出结电容充电,使S2的漏源电压线性上升。t6时刻S1的漏源电压下降到零,该阶段结束。

7)阶段7〔t6,t7〕 当S1的漏源电压下降到零之后,S1的寄生二极管导通,将S1的漏源电压箝在零电压状态,也就为S1的零电压导通创造了条件。t7时刻接着S1在零电压条件下导通,进入下一个周期。可以看到,两个开关S1和S2都实现了软开关。

以上分析的是电路轻载时的工作原理,电路满载时的工作原理与轻载时略有差别,即不存在二极管D电流下降到零自然关断的环节,二极管D的电流在开关管S2关断以后才逐步下降到零,如图2(b)所示。

2 软开关参数设计

这里软开关的参数设计主要是变压器激磁电感的设计。

激磁电感电流的峰峰值可以表示为

ΔILm=(VinDT)/Lm (1)

式中:D为占空比;

T为开关周期。

则激磁电感电流的最大值和最小值可以表示为:

ILmmax=(VinDT)/2Lm+Io/n(2)

ILmmin=(VinDT)/2Lm-Io/n(3)

式中:Io是负载电流。

从上面的原理分析中可以看到S1的软开关条件是由|ILmmin|使S1的输出结电容放电,同时通过变压器对S2的输出结电容充电来创造的;而S2的软开关条件是由|ILmmax|对S1的输出结电容充电,同时通过变压器使S2的输出结电容放电来创造的。

S1及S2的软开关极限条件为储存在Lm上的能量对S1和S2的输出结电容充放电,足以令其中一结电容放电到零,而另一结电容充电到最大。

这样S1的极限条件为

(nVo+Vin)2(<=)Lm(4)

S2的极限条件为

(nVo+Vin)2(<=)Lm(5)

式中:C1,C2分别为S1和S2的输出结电容。

由于在实际电路中死区时间比较小,因此可以近似认为在死区时间内电感Lm上的电流保持不变,即为一个恒流源对开关管的结电容进行放电。在这种情况下的软开关条件称为宽裕条件。

S1的宽裕条件为

(nVo+Vin)≤|ILmmin|tdead1(6)

S2的宽裕条件为

(nVo+Vin)≤|ILmmax|tdead2(7)

式中:tdead1,tdead2分别为S1及S2开通前的死区时间。

由于能量由电源向负载传送,即负载电流IO>0,比较式(2)与式(3)可知|ILmmax|>|ILmmin|,特别是在满载时,|ILmmax|>>|ILmmin|。所以S2的软开关实现比S1要容易得多。因此在具体的实验设计中,关键是要设计S1的软开关条件。首先确定可以承受的最大死区时间,然后根据式(6)及式(3)推算出激磁电感量Lm。在能实现软开关的前提下,Lm不宜太小,以免造成开关管上过大的电流有效值,使开关的导通损耗过大。

3 实验结果

设计了一个48V输入、5V/5A输出的带辅助绕组的Flyback电路模型,给出了实验结果,进一步验证了上述软开关实现方法的正确性。该变换器的规格和主要参数如下:

输入电压Vin 48V;

输出电压Vo 5V;

输出电流Io 0~5A;

工作频率f 100kHz;

主开关S1,S2 IRF730,IRFZ44;

激磁电感Lm 70μH;

变压器原副边及辅助绕组匝数比 26∶4∶4。

图4分别给出了轻载(1A)及满载(5A)时的实验波形,从图4(g)~图4(j)可以看到开关管S1及S2在轻载和满载时都实现了软开关。

(a)Current of D(1A) (b)Current of D(5A)

(c)Current of S2(1A) (d)Current of S2(5A)

(e)Current of S1(1A) (f)Current of S1(5A)

(g)Soft switching of S1(1A) (h)Soft switching of S1(5A)

(i)SoftswitchingofS2(1A) (j)SoftswitchingofS2(5A)

图4 实验波形

4 结语

本文分别分析了电路工作在轻载及满载时的情况,即输出整流二极管分别处于断续及连续状态,此两种状态分别有自己的优缺点,断续状态可以实现二极管的零电流关断,但其电流应力较高,而连续状态则刚好相反。因此,可以根据具体的需要,将电路设计在其中一个状态或跨越两种状态。

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