一种Flyback软开关实现方法

摘要：提出了一种Flyback电路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电路主开关的ZVS软开关条件；分析了其工作原理及电路参数的设计；最后的实验结果验证了该电路的工作原理及有效性。

关键词：Flyback电路；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。通过对该电路的工作原理分析及实验的结果，验证了该电路的可行性。

1 工作原理

图1所示的即为本文所提出的软开关电路，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。电路中激磁电感L_m的取值较小，使电流i_Lm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i_Lm波形所示。由于电路在轻载及满载时的工作状况有略微不同，下文将具体分析电路轻载时的工作原理，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，电路轻载时一个周期可以分为7个阶段，其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 带辅助绕组的flyback变换器

（a）轻载时的电路工作波形

（b）满载时的电路工作波形

图2 电路主要工作波形

（a）Stage1[t₀，t₁] （b）Stage2[t₁，t₂]

（c）Stage3[t₂，t₃] （d）Stage4[t₃，t₄]

（e）Stage5[t₄，t₅] （f）Stage6[t₅，t₆]

（g）Stage7[t₆，t₇]

图3 各阶段等效电路图

1）阶段1〔t₀，t₁〕 该阶段S₁导通，L_m承受输入电压，激磁电流i_Lm正向线性增加，从负值变为正值。在t₁时刻S₁关断，i_Lm达到最大值，该阶段结束。

2）阶段2〔t₁，t₂〕 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〔t₂，t₃〕 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〔t₃，t₄〕 t₃时刻S₂的门极变为高电平，S₂零电压开通。激磁电感L_m承受反向电压nV_o（n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〔t₄，t₅〕 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，L_m上承受电压nV_o，流过L_m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〔t₅，t₆〕 此时激磁电感L_m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〔t₆，t₇〕 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。

以上分析的是电路轻载时的工作原理，电路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

ΔI_Lm=（V_inDT）/L_m （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：

I_Lmmax=(VinDT)/2L_m＋I_o/n（2）

I_Lmmin=(VinDT)/2L_m－I_o/n（3）

式中：I_o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|I_Lmmin|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|I_Lmmax|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L_m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

(nV_o＋V_in)²(=)L_m（4）

S₂的极限条件为

(nV_o＋V_in)²(=)L_m（5）

式中：C₁，C₂分别为S₁和S₂的输出结电容。

由于在实际电路中死区时间比较小，因此