一种有源箝位Flyback软开关电路设计

摘要：介绍了一种有源箝位Flyback变换器ZVS实现方法，并对其软开关参数重新设计。该方案不但能实现主辅开关管的ZVS，限制输出整流二极管关断时的di/dt，减小整流二极管的开关损耗，同时也有效地降低了开关管的电压应力。

关键词：零电压开关；电流反向；有源箝位

0引言

Flyback变换器由于其电路简单，在小功率场合被普遍采用。但是，由于变压器漏感的存在，引起开关管上过高的电压应力。普通的RCD嵌位Flyback变换器其漏感能量消耗在嵌位电阻R上，开关管上电压应力的大小取决于消耗在嵌位电阻上能量的大小。消耗在嵌位电阻上的能量越多，开关管的电压应力就越低，但也影响了整个变换器的效率，因此，普通的RCD嵌位Flyback变换器总存在着开关管电压应力与整个变换器效率之间的矛盾。

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。一般，要实现比较理想的软开关效果，都需要有一个或一个以上的辅助开关为主开关创造软开关的条件，同时希望辅助开关本身也能实现软开关。

本文介绍的一种有源嵌位Flyback软开关电路，不但能实现ZVS，而且也解决了前述的普通RCD嵌位Flyback变换器中存在的问题。

1 工作原理

电路如图1所示，其两个开关S₁及S₂互补导通，中间有一定的死区以防止共态导通。变压器激磁电感L_m设计得较大，使电路工作在电流连续模式（CCM），如图2的i_Lm波形所示。而电感L_r设计得较小（L_rL_m），使流过L_r的电流在一个周期内可以反向，如图2的i_Lr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8个阶段，各个阶段的等效电路如图3所示。其工作原理如下。

图1 有源箝位Flyback变换器

图2 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] （h）Stage8[t₇，t₈]

图3 各阶段等效电路

1）阶段1〔t₀，t₁〕 该阶段S₁导通，L_m与L_r串联承受输入电压，流过L_m及L_r的电流线性上升。

V₂=V_in（1）

由于L_rL_m，所以式（1）可简化为

V₂≈V_in(2)

2）阶段2〔t₁，t₂〕 t₁时刻S₁关断，L_m及L_r上的电流给S₁的输出结电容C_r1充电，同时使S₂的输出结电容C_r2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的寄生二极管就导通，将S₂的漏源电压箝位在零电压状态。L_r和L_m串联与嵌位电容C_clamp谐振，C_clamp上电压v_c缓慢上升，v₂上电压也缓慢上升。

v₂=v_c（3）

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。此时间段依然维持L_r和L_m串联与嵌位电容C_clamp谐振，v₂缓慢上升。

5）阶段5〔t₄，t₅〕 t₄时刻v₂上升到一定的电压使副边二极管D导通，v₂被嵌位在－NV_o。L_r与C_clamp谐振。在保证t₅时刻L_r电流反向的情况下，其谐振周期应该满足

（4）

式中：t_off为主开关管S₁一个周期内的关断时间。

t₅时刻S₂关断，该阶段结束。

6）阶段6〔t₅，t₆〕 t₅时刻L_r上的电流方向为负，此电流一部分使S₁的输出结电容C_r1放电，另一部分对S₂的输出结电容C_r2充电。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的寄生二极管就导通，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。此时，L_r上的承受电压v₁为

v₁=V_in＋NV_o（5）

L_r上电流快速上升。流过副边整流二极管D电流i_D则快速下降。

=－N（6）

考虑到L_rL_m，式（6）可简化为

=－N（7）

8）阶段8〔t₇，t₈〕 t₇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。t₈时刻副边整流二极管D电流下降到零，D自然关断，电路开始进入下一个周期。

可以看到，在这种方案下，两个开关S₁和S₂实现了零电压开通，二极管D自然关断。

2 软开关的参数设计

假定电路工作在CCM状态。由于S₂的软开关实现是L_r与L_m联合对C_r1及C_r2充放电，而S₁的软开关实现是单独的L_r对C_r1及C_r2充放电。因此，S₂的软开关实现比较容易，而S₁的软开关实现相对来说要难得多。所以，在参数设计中，关键是要考虑S₁的软开关条件。

电流连续模式有源嵌位Flyback变换器ZVS设计步骤如下所述。

2.1 变压器激磁电感L_m的设定

由于L_r的存在，变换器的有效占空比D_eff（根据激磁电感L_m的充放电时间定义，见图2）要小于S₁的占空比D，但是由于t₅～t₈时刻i_Lr的上升速度非常的快，所以可近似地认为D_eff=D。这样，根据Flyback电路工作在CCM条件，则