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一種Flyback軟開關實現方法
摘要：提出了一種Flyback電路ZVS軟開關實現方法，即通過附加一個繞組，使激磁電感電流反向，從而來創(chuàng)造Flyback電路主開關的ZVS軟開關條件；分析了其工作原理及電路參數的設計；最后的實驗結果驗證了該電路的工作原理及有效性。關鍵詞：Flyback電路；軟開關；輔助繞組
引言
輕小化是目前電源產品追求的目標。而提高開關頻率可以減小電感、電容等元件的體積。但是，開關頻率提高的瓶頸是開關器件的開關損耗。于是軟開關技術就應運而生。
本文提出了一種帶輔助繞組的Flyback零電壓軟開關實現方法。通過對該電路的工作原理分析及實驗的結果，驗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關電路，輔助繞組的匝數與輸出繞組相同。開關管S1與S2互補導通，之間有一定的死區(qū)防止共態(tài)導通，如圖2所示。電路中激磁電感Lm的取值較小，使電流iLm可以反向以達到主開關S1的ZVS軟開關條件，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的工作狀況有略微不同，下文將具體分析電路輕載時的工作原理，滿載時的工作原理將簡要說明。考慮到開關的結電容以及死區(qū)時間，電路輕載時一個周期可以分為7個階段，其各個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導通，Lm承受輸入電壓，激磁電流iLm正向線性增加，從負值變?yōu)檎怠Ｔ趖1時刻S1關斷，iLm達到最大值，該階段結束。
2）階段2〔t1，t2〕S1關斷后，激磁電感電流開始下降，其中一部分對S1的輸出結電容充電，S1的漏源電壓線性上升；同時另一部分通過變壓器耦合到副邊使S2的輸出結電容放電，S2的漏源電壓可以近似認為線性下降，t2時刻S2的漏源電壓下降到零，該階段結束。
3）階段3〔t2，t3〕當S2的漏源電壓下降到零之后，S2的寄生二極管就導通，將S2的漏源電壓箝位在零電壓狀態(tài)，也就是為S2的零電壓導通創(chuàng)造了條件。同時二極管D也導通。
4）階段4〔t3，t4〕t3時刻S2的門極變?yōu)楦唠娖�，S2零電壓開通。激磁電感Lm承受反向電壓nVo（n為變壓器原副邊匝數比），Lm上電流線性下降，t4時刻下降到零，通過開關管S2及二極管D的電流也同時下降到零，該階段結束。
5）階段5〔t4，t5〕通過二極管D的電流下降到零以后，二極管D自然關斷。而S2繼續(xù)導通，Lm上承受電壓nVo，流過Lm的電流從零開始反向線性增加。t5時刻S2關斷，該階段結束。
6）階段6〔t5，t6〕此時激磁電感Lm上的電流方向為負，此電流一部分使S1的輸出結電容放電，使S1的漏源電壓可以近似認為線性下降；同時另一部分通過變壓器耦合到副邊對S2的輸出結電容充電，使S2的漏源電壓線性上升。t6時刻S1的漏源電壓下降到零，該階段結束。
7）階段7〔t6，t7〕當S1的漏源電壓下降到零之后，S1的寄生二極管導通，將S1的漏源電壓箝在零電壓狀態(tài)，也就為S1的零電壓導通創(chuàng)造了條件。t7時刻接著S1在零電壓條件下導通，進入下一個周期。可以看到，兩個開關S1和S2都實現了軟開關。
以上分析的是電路輕載時的工作原理，電路滿載時的工作原理與輕載時略有差別，即不存在二極管D電流下降到零自然關斷的環(huán)節(jié)，二極管D的電流在開關管S2關斷以后才逐步下降到零，如圖2（b）所示。
2軟開關參數設計
這里軟開關的參數設計主要是變壓器激磁電感的設計。
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為開關周期。
則激磁電感電流的最大值和最小值可以表示為：
ILmmax=(VinDT)/2Lm＋Io/n（2）
ILmmin=(VinDT)/2Lm－Io/n（3）
式中：Io是負載電流。
圖3
從上面的原
理分析中可以看到S1的軟開關條件是由|ILmmin|使S1的輸出結電容放電，同時通過變壓器對S2的輸出結電容充電來創(chuàng)造的；而S2的軟開關條件是由|ILmmax|對S1的輸出結電容充電，同時通過變壓器使S2的輸出結電容放電來創(chuàng)造的。S1及S2的軟開關極限條件為儲存在Lm上的能量對S1和S2的輸出結電容充放電，足以令其中一結電容放電到零，而另一結電容充電到最大。
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的輸出結電容。
由于在實際電路中死區(qū)時間比較小，因此可以近似認為在死區(qū)時間內電感Lm上的電流保持不變，即為一個恒流源對開關管的結電容進行放電。在這種情況下的軟開關條件稱為寬裕條件。
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)≤
|ILmmax|tdead2（7）
式中：tdead1，tdead2分別為S1及S2開
通前的死區(qū)時間。
由于能量由電源向負載傳送，即負載電流IO>0，比較式（2）與式（3）可知|ILmmax|>|ILmmin|，特別是在滿載時，|ILmmax?|ILmmin|。所以S2的軟開關實現比S1要容易得多。因此在具體的實驗設計中，關鍵是要設計S1的軟開關條件。首先確定可以承受的最大死區(qū)時間，然后根據式(6)及式(3)推算出激磁電感量Lm。在能實現軟開關的前提下，Lm不宜太小，以免造成開關管上過大的電流有效值，使開關的導通損耗過大。
3實驗結果
設計了一個48V輸入、5V/5A輸出的帶輔助繞組的Flyback電路模型，給出了實驗結果，進一步驗證了上述軟開關實現方法的正確性。該變換器的規(guī)格和主要參數如下：
輸入電壓Vin48V；
輸出電壓Vo5V；
輸出電流Io0～5A；
工作頻率f100kHz；
主開關S1，S2IRF730，IRFZ44；
激磁電感Lm70μH；
變壓器原副邊及輔助繞組匝數比26∶4∶4。
圖4分別給出了輕載（1A）及滿載（5A）時的
實驗波形，從圖4（g）～圖4（j）可以看到開關管S1及S2在輕載和滿載時都實現了軟開關。
4結語
本文分別分析了電路工作在輕載及滿載時的情況，即輸出整流二極管分別處于斷續(xù)及連續(xù)狀態(tài)，此兩種狀態(tài)分別有自己的優(yōu)缺點，斷續(xù)狀態(tài)可以實現二極管的零電流關斷，但其電流應力較高，而連續(xù)狀態(tài)則剛好相反。因此，可以根據具體的需要，將電路設計在其中一個狀態(tài)或跨越兩種狀態(tài)。
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