0 引言
輕小化是目前電源產(chǎn)品追求的目標(biāo)。而提高開關(guān)頻率可以減小電感、電容等元件的體積。但是，開關(guān)頻率提高的瓶頸是開關(guān)器件的開關(guān)損耗。于是軟開關(guān)技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生。
本文提出了一種帶輔助繞組的Flyback零電壓軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)方法。通過對該電路的工作原理分析及實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，驗(yàn)證了該電路的可行性。
1 工作原理
圖1所示的即為本文所提出的軟開關(guān)電路，輔助繞組的匝數(shù)與輸出繞組相同。開關(guān)管S1與S2互補(bǔ)導(dǎo)通，之間有一定的死區(qū)防止共態(tài)導(dǎo)通，如圖2所示。電路中激磁電感Lm的取值較小，使電流iLm可以反向以達(dá)到主開關(guān)S1的ZVS軟開關(guān)條件，如圖2（a）及圖2（b）中iLm波形所示。由于電路在輕載及滿載時的工作狀況有略微不同，下文將具體分析電路輕載時的工作原理，滿載時的工作原理將簡要說明?？紤]到開關(guān)的結(jié)電容以及死區(qū)時間，電路輕載時一個周期可以分為7個階段，其各個階段的等效電路如圖3所示。其工作原理描述如下。
圖1 帶輔助繞組的flyback變換器
（a）輕載時的電路工作波形
（b）滿載時的電路工作波形
圖2 電路主要工作波形
（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]
圖3 各階段等效電路圖
1）階段1〔t0，t1〕 該階段S1導(dǎo)通，Lm承受輸入電壓，激磁電流iLm正向線性增加，從負(fù)值變?yōu)檎?。?i>t1時刻S1關(guān)斷，iLm達(dá)到最大值，該階段結(jié)束。
2）階段2〔t1，t2〕 S1關(guān)斷后，激磁電感電流開始下降，其中一部分對S1的輸出結(jié)電容充電，S1的漏源電壓線性上升；同時另一部分通過變壓器耦合到副邊使S2的輸出結(jié)電容放電，S2的漏源電壓可以近似認(rèn)為線性下降，t2時刻S2的漏源電壓下降到零，該階段結(jié)束。
3）階段3〔t2，t3〕 當(dāng)S2的漏源電壓下降到零之后，S2的寄生二極管就導(dǎo)通，將S2的漏源電壓箝位在零電壓狀態(tài)，也就是為S2的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。同時二極管D也導(dǎo)通。
4）階段4〔t3，t4〕 t3時刻S2的門極變?yōu)楦唠娖?，S2零電壓開通。激磁電感Lm承受反向電壓nVo（n為變壓器原副邊匝數(shù)比），Lm上電流線性下降，t4時刻下降到零，通過開關(guān)管S2及二極管D的電流也同時下降到零，該階段結(jié)束。
5）階段5〔t4，t5〕 通過二極管D的電流下降到零以后，二極管D自然關(guān)斷。而S2繼續(xù)導(dǎo)通，Lm上承受電壓nVo，流過Lm的電流從零開始反向線性增加。t5時刻S2關(guān)斷，該階段結(jié)束。
6）階段6〔t5，t6〕 此時激磁電感Lm上的電流方向?yàn)樨?fù)，此電流一部分使S1的輸出結(jié)電容放電，使S1的漏源電壓可以近似認(rèn)為線性下降；同時另一部分通過變壓器耦合到副邊對S2的輸出結(jié)電容充電，使S2的漏源電壓線性上升。t6時刻S1的漏源電壓下降到零，該階段結(jié)束。
7）階段7〔t6，t7〕 當(dāng)S1的漏源電壓下降到零之后，S1的寄生二極管導(dǎo)通，將S1的漏源電壓箝在零電壓狀態(tài)，也就為S1的零電壓導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。t7時刻接著S1在零電壓條件下導(dǎo)通，進(jìn)入下一個周期?？梢钥吹?，兩個開關(guān)S1和S2都實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)。
以上分析的是電路輕載時的工作原理，電路滿載時的工作原理與輕載時略有差別，即不存在二極管D電流下降到零自然關(guān)斷的環(huán)節(jié)，二極管D的電流在開關(guān)管S2關(guān)斷以后才逐步下降到零，如圖2（b）所示。
2 軟開關(guān)參數(shù)設(shè)計
這里軟開關(guān)的參數(shù)設(shè)計主要是變壓器激磁電感的設(shè)計。
激磁電感電流的峰峰值可以表示為
ΔILm=（VinDT）/Lm （1）
式中：D為占空比；
T為開關(guān)周期。
則激磁電感電流的最大值和最小值可以表示為：
ILmmax=(VinDT)/2Lm＋Io/n（2）
ILmmin=(VinDT)/2Lm－Io/n（3）
式中：Io是負(fù)載電流。
從上面的原理分析中可以看到S1的軟開關(guān)條件是由|ILmmin|使S1的輸出結(jié)電容放電，同時通過變壓器對S2的輸出結(jié)電容充電來創(chuàng)造的；而S2的軟開關(guān)條件是由|ILmmax|對S1的輸出結(jié)電容充電，同時通過變壓器使S2的輸出結(jié)電容放電來創(chuàng)造的。
S1及S2的軟開關(guān)極限條件為儲存在Lm上的能量對S1和S2的輸出結(jié)電容充放電，足以令其中一結(jié)電容放電到零，而另一結(jié)電容充電到最大。
這樣S1的極限條件為
(nVo＋Vin)2(<=)
Lm
（4）
S2的極限條件為
(nVo＋Vin)2(<=)
Lm
（5）
式中：C1，C2分別為S1和S2的輸出結(jié)電容。
由于在實(shí)際電路中死區(qū)時間比較小，因此可以近似認(rèn)為在死區(qū)時間內(nèi)電感Lm上的電流保持不變，即為一個恒流源對開關(guān)管的結(jié)電容進(jìn)行放電。在這種情況下的軟開關(guān)條件稱為寬裕條件。
S1的寬裕條件為
(nVo＋Vin)≤|ILmmin|tdead1（6）
S2的寬裕條件為
(nVo＋Vin)≤|ILmmax|tdead2（7）
式中：tdead1，tdead2分別為S1及S2開通前的死區(qū)時間。
由于能量由電源向負(fù)載傳送，即負(fù)載電流IO>0，比較式（2）與式（3）可知|ILmmax|>|ILmmin|，特別是在滿載時，|ILmmax|>>|ILmmin|。所以S2的軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)比S1要容易得多。因此在具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計中，關(guān)鍵是要設(shè)計S1的軟開關(guān)條件。首先確定可以承受的最大死區(qū)時間，然后根據(jù)式(6)及式(3)推算出激磁電感量Lm。在能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的前提下，Lm不宜太小，以免造成開關(guān)管上過大的電流有效值，使開關(guān)的導(dǎo)通損耗過大。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
設(shè)計了一個48V輸入、5V/5A輸出的帶輔助繞組的Flyback電路模型，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)方法的正確性。該變換器的規(guī)格和主要參數(shù)如下：
輸入電壓Vin 48V；
輸出電壓Vo 5V；
輸出電流Io 0～5A；
工作頻率f 100kHz；
主開關(guān)S1，S2 IRF730，IRFZ44；
激磁電感Lm 70μH；
變壓器原副邊及輔助繞組匝數(shù)比 26∶4∶4。
圖4分別給出了輕載（1A）及滿載（5A）時的實(shí)驗(yàn)波形，從圖4（g）～圖4（j）可以看到開關(guān)管S1及S2在輕載和滿載時都實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)。
（a）Current of D(1A) （b）Current of D(5A)
（c）Current of S2(1A) （d）Current of S2(5A)
（e）Current of S1(1A) （f）Current of S1(5A)
（g）Soft switching of S1(1A) （h）Soft switching of S1(5A)
（i）SoftswitchingofS2(1A) （j）SoftswitchingofS2(5A)
圖4 實(shí)驗(yàn)波形
4 結(jié)語
本文分別分析了電路工作在輕載及滿載時的情況，即輸出整流二極管分別處于斷續(xù)及連續(xù)狀態(tài)，此兩種狀態(tài)分別有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，斷續(xù)狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)二極管的零電流關(guān)斷，但其電流應(yīng)力較高，而連續(xù)狀態(tài)則剛好相反。因此，可以根據(jù)具體的需要，將電路設(shè)計在其中一個狀態(tài)或跨越兩種狀態(tài)。