一种Flyback软开关实现方法

电源设计应用

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描述

一种Flyback软开关实现方法

摘要:提出了一种Flyback威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 主开关的ZVS软开关条件;分析了其工作原理及威廉希尔官方网站 参数的设计;最后的实验结果验证了该威廉希尔官方网站 的工作原理及有效性。

关键词:Flyback威廉希尔官方网站 ;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。通过对该威廉希尔官方网站 的工作原理分析及实验的结果,验证了该威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 ,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。威廉希尔官方网站 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。由于威廉希尔官方网站 在轻载及满载时的工作状况有略微不同,下文将具体分析威廉希尔官方网站 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,威廉希尔官方网站 轻载时一个周期可以分为7个阶段,其各个阶段的等效威廉希尔官方网站 如图3所示。其工作原理描述如下。

Flyback

图1    带辅助绕组的flyback变换器

Flyback

(a)轻载时的威廉希尔官方网站 工作波形

Flyback

(b)满载时的威廉希尔官方网站 工作波形

图2    威廉希尔官方网站 主要工作波形

Flyback

(a)Stage1[t0t1]        (b)Stage2[t1t2]

Flyback

(c)Stage3[t2t3]        (d)Stage4[t3t4]

Flyback

(e)Stage5[t4t5]        (f)Stage6[t5t6]

Flyback

(g)Stage7[t6t7]

图3    各阶段等效威廉希尔官方网站 图

    1)阶段1〔t0t1〕    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〔t1t2〕    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〔t2t3〕    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〔t3t4〕    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nVon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〔t4t5〕    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〔t5t6〕    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〔t6t7〕    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。

    以上分析的是威廉希尔官方网站 轻载时的工作原理,威廉希尔官方网站 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)/2LmIo/n(2)

    ILmmin=(VinDT)/2LmIo/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

    Flyback(nVoVin)2(<=)FlybackLmFlyback(4)

    S2的极限条件为

    Flyback(nVoVin)2(<=)FlybackLmFlyback(5)

式中:C1C2分别为S1和S2的输出结电容。

    由于在实际威廉希尔官方网站 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

    Flyback(nVoVin)≤|ILmmin|tdead1(6)

    S2的宽裕条件为

    Flyback(nVoVin)≤|ILmmax|tdead2(7)

式中:tdead1tdead2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威廉希尔官方网站 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。

Flyback

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

Flyback

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

Flyback

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

Flyback

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

Flyback

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

图4    实验波形

4    结语

    本文分别分析了威廉希尔官方网站 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,将威廉希尔官方网站 设计在其中一个状态或跨越两种状态。

作者简介

    陈世杰(1979-),男,硕士研究生,现从事电力电子威廉希尔官方网站 拓扑的研究。

    吕征宇,男,博士,教授,博士生导师,现从事电力电子中的电磁兼容,智能控制,功率变换器和电力电子器件等方面研究。

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