一種帶輔助變壓器的Flyback變換器

1、    一種帶輔助變壓器的Flyback變換器    一種帶輔助變壓器的Flyback變換器    類別：電源技術(shù)      摘要：提出了一種新穎的FLYBACK變換器ZVS軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)方案。一個(gè)較小的輔助變壓器與主變壓器串聯(lián)，通過使輔助變壓器原邊激磁電感電流雙向來達(dá)到主開關(guān)管的ZVS軟開關(guān)條件。該方案實(shí)現(xiàn)了主輔開關(guān)管的ZVS軟開關(guān)，限制了輸出整流二極管關(guān)斷時(shí)的di/dt，并且使變換器在任何負(fù)載情況下，都能在寬輸入范圍

2、內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。關(guān)鍵詞：ZVS軟開關(guān)；輔助變壓器；電流雙向0引言在很多通訊和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，需要使用高功率密度、高效率的開關(guān)電源。提高開關(guān)頻率可以減小電感、電容等元件的體積，是目前開關(guān)電源提高功率密度的一種趨勢。但是，開關(guān)頻率的提高，開關(guān)器件的損耗也隨之增加。為了減小開關(guān)電源的開關(guān)損耗，提高其開關(guān)頻率，軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。軟開關(guān)技術(shù)主要包括兩種：零電壓軟開關(guān)（ZVS）及零電流軟開關(guān)（ZCS）。在含有MOSFET開關(guān)器件的變換器拓?fù)渲校汶妷很涢_關(guān)要優(yōu)于零電流軟開關(guān)1。Flyback變換器電路簡單，在小功率場合得到了廣泛的應(yīng)用?；贔lyback變換器的ZVS軟開關(guān)拓?fù)湟驳玫搅诉M(jìn)一步的發(fā)展234。最

3、近幾年，有源箝位ZVS軟開關(guān)技術(shù)被提出567，但它也存在一些缺點(diǎn)89，比如，輕載時(shí)不能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。本文提出了一種帶輔助變壓器的Flyback零電壓軟開關(guān)電路，與有源箝位Flyback零電壓軟開關(guān)電路相比，它具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 1）電路在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)； 2）任何負(fù)載情況下，電路都可以在寬輸入范圍中實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)； 3）丟失占空比不隨輸出負(fù)載變化而變化，利于電路參數(shù)設(shè)計(jì)。下面分析了此電路的工作原理及軟開關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)，并以實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案的有效性。1工作原理     圖1為本文提出的Flyback軟開關(guān)電路，Tr為輔助變壓器。其兩個(gè)開關(guān)S1及S

4、2互補(bǔ)導(dǎo)通，中間有一定的死區(qū)防止共態(tài)導(dǎo)通。主變壓器T激磁電感Lm較大，使電路工作在電流連續(xù)模式（CCM），如圖2中iLm波形所示。而Tr的激磁電感Lmr設(shè)計(jì)得較小使流過Lmr的電流在一個(gè)周期內(nèi)可以反向，如圖2中iLmr波形所示?？紤]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7個(gè)階段進(jìn)行分析，各個(gè)階段的等效電路如圖3所示。其工作原理描述如下。 1）階段1t0t1該階段，S1導(dǎo)通，Lm與Lmr串聯(lián)承受輸入電壓，流過Lm及Lmr的電流線性上升。此時(shí)間段式中：Vds2為S2的漏源電壓； Vo為變換器輸出電壓； N1為T原邊繞組匝數(shù)； N2及N3為T副邊兩個(gè)繞組匝數(shù)； n1及n2為Tr原副邊兩個(gè)繞組匝

5、數(shù)。 2）階段2t1t2t1時(shí)刻S1關(guān)斷，Lm上的電流通過T耦合到副邊，使二極管D導(dǎo)通，Lm兩端電壓被箝位在Lm上的電流線性下降。Lmr上的電流一部分對(duì)S1的輸出結(jié)電容Cr1充電，另一部分通過Tr耦合對(duì)S2的輸出結(jié)電容Cr2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3t2t3當(dāng)S2的漏源電壓下降到零之后，S2的寄生二極管導(dǎo)通，將S2的漏源電壓箝位在零電壓狀態(tài)，也就為S2的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。同時(shí)Lmr兩端被箝位在Lmr上電流線性下降。而S1的漏源電壓被箝位在最大電壓 4）階段4t3t4t3時(shí)刻S2的門極變?yōu)楦唠娖?，S2零電壓開通。流過寄生二極管的電流流經(jīng)S2。Lmr兩端依

6、然承受式（3）所示電壓V1，Lmr上電流線性下降到零然后反向增加。t4時(shí)刻，S2關(guān)斷，該階段結(jié)束。此時(shí)間段 5）階段5t4t5t4時(shí)刻，Lmr上的電流方向?yàn)樨?fù)，此電流一部分對(duì)S1的輸出結(jié)電容Cr1放電，同時(shí)，另一部分通過Tr耦合到副邊對(duì)S2的輸出結(jié)電容Cr2充電。到t5時(shí)刻，S1的漏源電壓下降到零，該階段結(jié)束。     6）階段6t5t6當(dāng)S1的漏源電壓下降到零之后，S1的寄生二極管導(dǎo)通，將S1的漏源電壓箝位在零電壓狀態(tài)，為S1的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。此時(shí)，Lmr上的反向電流流經(jīng)主變壓器，給流過二極管D的電流iD疊加上一個(gè)電流此時(shí)間段內(nèi)，二極管D仍然導(dǎo)通

7、，Lmr兩端電壓被箝位在Lmr上電流線性上升。而S2的漏源電壓被箝位在最大電壓 7）階段7t6t7t6時(shí)刻，S1的門極變?yōu)楦唠娖?，S1零電壓開通。流過寄生二極管的電流流經(jīng)S1。由于Lmr兩端承受的電壓V1此時(shí)較大，iLmr快速上升，到t7時(shí)刻，iLmr=iLm，主變壓器耦合到副邊的電流為零，二極管D自然關(guān)斷。此時(shí)間段接著Lmr與Lm串聯(lián)承受輸入電壓，開始下一個(gè)周期?？梢钥吹?，在這種方案下，兩個(gè)開關(guān)S1和S2零電壓開通，二極管D零電流關(guān)斷。2軟開關(guān)的參數(shù)設(shè)計(jì)假定電路工作在CCM狀態(tài)。由于S2的軟開關(guān)大于放電電壓（見圖2波形vds2），因此，S1的軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)要比S2難得多。在參數(shù)設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵是要考

8、慮S1的軟開關(guān)條件。2.1主變壓器激磁電感Lm的設(shè)定由于Lmr的存在，變換器的有效占空比Deff（根據(jù)激磁電感Lm的充放電時(shí)間定義，見圖2）要小于S1的占空比D，但是，由于t4t7時(shí)間內(nèi)iLmr的上升速度非?？?，所以，可近似認(rèn)為Deff=D。這樣，根據(jù)Flyback電路工作在CCM的條件式中：為變換器效率；fs為開關(guān)頻率；在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了保證電路在輕載時(shí)也能工作在電流連續(xù)模式，取定2.2主副變壓器原副邊匝數(shù)比設(shè)定而根據(jù)式（8），為了使輸出濾波前電流io在t3t4時(shí)間段下降不要太快，最好有N3N2。另外，為了保證t1時(shí)刻S1關(guān)斷時(shí)流過副邊二極管D的電流iD>0，根據(jù)式（7）有2.3輔助變

9、壓器激磁電感Lmr設(shè)定為了實(shí)現(xiàn)S1的ZVS軟開關(guān)，在(1D)T時(shí)間內(nèi)，激磁電感Lmr上電流必須反向，即另外，根據(jù)Lmr與S1及S2的輸出結(jié)電容諧振條件比較式（20）和式（25），Lmr應(yīng)該根據(jù)式（25）來設(shè)定。另外，由式（24）可以發(fā)現(xiàn)，輸入、輸出電壓一定時(shí)，隨著負(fù)載的增加，iLmrmax增大見式（19），iLmrmin減小，軟開關(guān)就越不容易實(shí)現(xiàn)。所以，Lmr要根據(jù)滿載時(shí)軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)條件來設(shè)定。而當(dāng)輸入電壓為寬范圍時(shí)，隨著輸入電壓的減小，iLmrmax增加由于電路工作在CCM，滿載時(shí)式（19）第二項(xiàng)可以忽略，iLmrmin表達(dá)式第一項(xiàng)減小，iLmrmin減小，軟開關(guān)就越不容易實(shí)現(xiàn)。所以，對(duì)于輸

10、出負(fù)載、輸入電壓變化的情況，Lmr要根據(jù)輸出滿載、輸入電壓最小時(shí)的軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)條件來設(shè)定。同時(shí)需要指出，在能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的前提下，Lmr不宜太小，以免造成開關(guān)管上過大的電流應(yīng)力及導(dǎo)通損耗。2.4死區(qū)時(shí)間的確定為了實(shí)現(xiàn)S1的軟開關(guān)，必須保證在t5t6時(shí)間內(nèi)，S1開始導(dǎo)通。否則，Lmr上電流反向，重新對(duì)Cr1充電，這樣，S1的ZVS軟開關(guān)條件就會(huì)丟失。因此，S2關(guān)斷后、S1開通前的死區(qū)時(shí)間設(shè)定對(duì)開關(guān)管S1的軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。合適的死區(qū)時(shí)間為電感Lmr與S1及S2的輸出結(jié)電容諧振周期的1/4，即一般而言，開關(guān)管輸出電容是所受電壓的函數(shù)，為方便起見，在此假設(shè)Cr1及Cr2恒定。2.5有效占空比Deff的

11、計(jì)算 有效占空比Deff比S1的占空比D略小，即從式（29）可以看出，丟失占空比與輸出負(fù)載無關(guān)。在相同電氣規(guī)格和電路參數(shù)條件下，其值大概為有源箝位Flyback變換器滿載時(shí)丟失占空比的1/27。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果為了驗(yàn)證上述的ZVS軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)方法，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)電路，其規(guī)格及主要參數(shù)如下：主變壓器原副邊匝數(shù)N1：N2：N339：15：15；輔助變壓器激磁電感Lmr10H；輔助變壓器原副邊匝數(shù)n1：n213：13。圖4給出的是負(fù)載電流Io=2.5A時(shí)，輸出濾波前電流及流過副邊二極管D電流的實(shí)驗(yàn)波形，其結(jié)果與理論分析相吻合。圖5圖8分別給出了S1和S2在輕載及滿載時(shí)的驅(qū)動(dòng)電壓、漏源極電壓和所流過電流的實(shí)驗(yàn)波形。從圖中可以看出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為正時(shí)，開關(guān)管的漏源極電壓已經(jīng)為零，是零電壓開通。而當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，其結(jié)電容限制了漏源極電壓的上升率，是零電壓關(guān)斷，由此說明S1及S2在輕載及滿載時(shí)都實(shí)現(xiàn)了ZVS10。從開關(guān)管漏源極電壓與所流過電流的比較也可以看出實(shí)現(xiàn)了ZVS。    圖9給出了變換器效率曲線。圖9（a）為輸入電壓一定，負(fù)載電流不同時(shí)的變換效率曲線，可以看出，滿載時(shí)效率最高，為91.35。圖9（b）為負(fù)載電流一定，輸入電壓不同時(shí)的變換效率曲線，可以看到，效率隨輸入電壓變化而變化的范圍很小。4結(jié)語本文提出了一種Flyback變換器ZVS