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一种带辅助变压器的Flyback变换器ZVS软开关实现方案

时间:03-26 来源:互联网 点击:

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

 

0 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。最近几年,有源箝位ZVS软开关技术被提出,但它也存在一些缺点,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(LmrLm),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。

图1 带辅助变压器的Flyback变换器

图2 主要工作波形

(a) 阶段1[t0,t1]

(b) 阶段2[t1,t2]

(c) 阶段3[t2,t3]

(d) 阶段4[t3,t4]

(e) 阶段5[t4,t5]

(f) 阶段6[t5,t6]

(g) 阶段7[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

Vds2=Vin+Vo+Vin(1)

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

V2=-(2)

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

V1=-Vo(3)

Lmr上电流线性下降。而S1的漏源电压被箝位在最大电压

Vds1max=Vin+Vo+Vo(4)

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

iDN3+ioN2=iLmN1(5)

io=iD+iLmr(6)

iD=(7)

io=(8)

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

ΔI(t5)=(9)

此时间段内,二极管D仍然导通,Lmr两端电压被箝位在

V1=Vin-V2=Vin+Vo(10)

Lmr上电流线性上升。而S2的漏源电压被箝位在最大电压

Vds2max=Vo(11)

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

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