一种带辅助变压器的Flyback变换器ZVS软开关实现方案

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