準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)反激變換器的研究??

摘要：介紹了一種準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)反激變換器。它的主要優(yōu)點(diǎn)是利用開(kāi)關(guān)兩端的電容與變壓器原邊電感產(chǎn)生的諧振，通過(guò)適當(dāng)控制實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通，減小了開(kāi)關(guān)損耗，提高了變換器的效率。整個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，滿載效率高，空載損耗小。

關(guān)鍵詞：準(zhǔn)諧振；軟開(kāi)關(guān)；反激變換器

Research on Quasi-resonant Soft Switch Flyback Converter

TENG Fang-hua, ZHANG Zhong-chao?

Abstract:A flyback converter , known as Quasi-resonant (QR) ZVS flyback is introduced. When the converter operates in discontinuous mode (DCM), the switching can be turn on with zero voltage by using the resonance between capacitor shunted to drain-source of switch and the inductance of the transformer. The efficiency of converter can be improved with the ZVS operation of the switch. By properly designed, the converter features high efficiency at full load and low loss at stand by condition.

Keywords:Quasi-resonance; Soft switch; Flyback converter

1? 引言

??? 現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的一個(gè)重要方向是開(kāi)關(guān)的高頻化，因?yàn)楦哳l化可以使開(kāi)關(guān)變換器的體積、重量大大減小，從而提高變換器的功率密度。提高開(kāi)關(guān)頻率可以降低開(kāi)關(guān)電源的音頻噪聲，改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)。實(shí)現(xiàn)高頻化，必須降低開(kāi)關(guān)損耗，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是減少開(kāi)關(guān)損耗的重要方法之一。軟開(kāi)關(guān)是指零電壓開(kāi)關(guān)（Zero Voltage Switching,ZVS）或零電流開(kāi)關(guān)(Zero Current Switching,ZCS)。它應(yīng)用諧振的原理使開(kāi)關(guān)變換器中開(kāi)關(guān)管的電壓或電流按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，當(dāng)電壓自然過(guò)零時(shí)，使器件開(kāi)通；當(dāng)電流自然過(guò)零時(shí)，使器件關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)損耗為零，從而可以使開(kāi)關(guān)頻率提高。

??? 反激變換器在低功率場(chǎng)合應(yīng)用十分廣泛，但是，由于開(kāi)關(guān)管存在容性開(kāi)通損耗，限制了開(kāi)關(guān)頻率的提高。原理上有很多種方法可實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，但是大多數(shù)開(kāi)關(guān)要承受很高的電壓應(yīng)力，因此不適合用于輸入電壓比較高的場(chǎng)合。由反激變換器的工作原理可知，當(dāng)電感電流工作在斷續(xù)工作模式（DCM）下，在電感電流減小到零以后，開(kāi)關(guān)兩端電容與變壓器原邊電感產(chǎn)生諧振，本文將研究如何利用產(chǎn)生的諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)工作，減小開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通損耗。

2? 準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)反激變換器工作原理

??? 準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)反激變換器工作原理如圖1所示。其中Lm為原邊電感，Lk為原邊漏感，電容Cd包括開(kāi)關(guān)管Q的輸出電容Coss，變壓器的匝間電容以及電路中的其他一些雜散電容。Rp包括變壓器原邊繞組的電阻以及線路電阻。

圖1? 準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)反激變換器原理圖

??? 根據(jù)反激變換器的工作原理，當(dāng)電路工作在電感電流斷續(xù)時(shí)，在開(kāi)關(guān)管Q開(kāi)通時(shí)，流過(guò)變壓器原邊的電流峰值有：

???????????? Ipk,p=ton????? （1）

式中：Vin為輸入直流電壓；

????? Lp為初級(jí)電感Lp=Lm＋Lk；

????? ton為開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間。

??? 圖2為電路工作在DCM模式下開(kāi)關(guān)管Q上的vds波形。

圖2? DCM模式下開(kāi)關(guān)vds波形

??? 從圖2可以看出，在開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷之后，Q兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓尖峰。這個(gè)電壓尖峰是由變壓器漏感Lk和電容Cd振蕩的結(jié)果。振蕩的幅值經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期后減小為零，此后vds保持不變等于Vdss。

??????? Vdss=Vin＋n(Vout＋Vf)???? (2)

式中：n為變壓器變比；

??????? Vout為輸出電壓；

??????? Vf為副邊整流二極管的導(dǎo)通壓降。

??? 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間tFW以后，反激能量完全傳送給負(fù)載，流過(guò)二極管的電流減小到零，副邊二極管截止。變壓器原邊電壓不再被鉗在n(Vout＋Vf)。電容Cd,原邊電感Lp以及電阻Rp將構(gòu)成一個(gè)RLC諧振電路，開(kāi)關(guān)管Q兩端電壓將產(chǎn)生振蕩，如圖2所示。vds的值可以用式(3)表示

?????? vds(t)=Vin＋n(Vout＋Vf)e－αtcos(2πfrt)??? （3）

式中：α為振蕩的衰減系數(shù)；

?????? fr為諧振頻率。

?????? fr=?????? （4）

??? 經(jīng)過(guò)時(shí)間tv后，vds到達(dá)振蕩的最低點(diǎn)Vds,min

??????? Vds,min=Vin－n(Vout＋Vf) （5）

?????? tv=π??? （6）

可以看出如果n(Vout＋Vf)? Vin，讓開(kāi)關(guān)在tv時(shí)刻導(dǎo)通，則開(kāi)關(guān)就能實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。如果n≤(Vout＋Vf)≤Vin，盡管開(kāi)關(guān)無(wú)法實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，但是讓開(kāi)關(guān)在tv時(shí)刻導(dǎo)通仍然可以在最大程度上減小開(kāi)關(guān)的開(kāi)通損耗。從以上的分析可以看出，電路零電壓開(kāi)關(guān)工作的條件只與電路的設(shè)計(jì)參數(shù)相關(guān)，而與電路的具體工作狀況無(wú)關(guān)。

??? 需要注意的是，由于電路中輸入電壓Vin會(huì)在一定范圍內(nèi)變化，給電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定困難。特別是在寬范圍輸入場(chǎng)合，在整個(gè)輸入范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通將會(huì)非常困難。另外，由于電路本質(zhì)上工作在臨界斷續(xù)模式（DCM boundary）,開(kāi)關(guān)頻率隨著輸入電壓或者負(fù)載的變化而變化，其工作頻率推導(dǎo)如下：

??????? ton=?????? （7）

?????? tfw=?????? （8）

???????? fsw==????? （9）

由于電路工作在DCM boundary模式，因此有

????? Pin=Lpfsw??????? （10）

可以推導(dǎo)出開(kāi)關(guān)頻率fsw為

????? fsw=?? （11）

其中

??????? fT=????? （12）

可見(jiàn)隨著輸入電壓的升高或者負(fù)載的減輕都會(huì)使開(kāi)關(guān)頻率上升。

3? 設(shè)計(jì)實(shí)例以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

??? 根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)了一個(gè)60W的準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)反激變換器，控制采用ST公司最新推出的控制芯片L6565,其外部功能框圖如圖3所示。

圖3? L6565功能框圖

??? L6565采用電流控制方式，腳4用于檢測(cè)流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流，腳1為電壓反饋輸入腳，腳2為內(nèi)部運(yùn)放輸出腳，腳1、2之間接一個(gè)PI補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，腳7為驅(qū)動(dòng)輸出腳。值得注意的是，與一般電流控制型芯片不同的是，L6565有一個(gè)電流過(guò)零檢測(cè)腳4，用來(lái)檢測(cè)副邊反激電流是否已經(jīng)減小到零，一旦檢測(cè)到過(guò)零信號(hào)，經(jīng)過(guò)一段延遲時(shí)間（tv）將使開(kāi)關(guān)導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。

??? 電源的主要參數(shù)如下：輸入電壓AC 90～265V，輸出電壓DC 12V，5A，最低開(kāi)關(guān)頻率70kHz。

??? 從圖4所示開(kāi)關(guān)管兩端電壓波形可以看出，vds在反激輸出電流減小到零以后開(kāi)始振蕩，當(dāng)振蕩達(dá)到最低點(diǎn)后，開(kāi)關(guān)重新導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)關(guān)。圖5所示的是開(kāi)關(guān)管的電流波形。圖6所示的是輕載開(kāi)關(guān)管兩端電壓波形。從式（12）可以看出在負(fù)載很輕的時(shí)候，開(kāi)關(guān)頻率會(huì)很高，增加了電路的輕載或空載損耗。L6565針對(duì)準(zhǔn)諧振電路這個(gè)缺點(diǎn)，在內(nèi)部設(shè)置了一個(gè)最小關(guān)斷時(shí)間。從圖6可以看出，在第一次諧振到達(dá)最低時(shí)，如果此時(shí)關(guān)斷時(shí)間沒(méi)有超過(guò)內(nèi)部設(shè)置的最小關(guān)斷時(shí)間，開(kāi)關(guān)管將無(wú)法導(dǎo)通，vds將繼續(xù)振蕩，直到關(guān)斷時(shí)間超過(guò)最小關(guān)斷時(shí)間，開(kāi)關(guān)管才能再次導(dǎo)通。圖7所示的是空載開(kāi)關(guān)管兩端電壓波形，此時(shí)開(kāi)關(guān)將進(jìn)入間歇工作狀態(tài)，以降低開(kāi)關(guān)頻率。電路的空載損耗可以小于1W，滿載效率可以達(dá)到85％。

圖4? 滿載開(kāi)關(guān)管兩端電壓波形(vds）

圖5? 滿載開(kāi)關(guān)電流波形

圖6? 輕載開(kāi)關(guān)管兩端電壓波形（vds）

圖7? 空載開(kāi)關(guān)管兩端電壓波形（Burst? Mode）

4? 結(jié)語(yǔ)

??? 基于L6565控制的準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)反激變換器，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的參數(shù)設(shè)計(jì)，可以使開(kāi)關(guān)管工作在零電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)，大大減小開(kāi)關(guān)的損耗，降低了EMI噪聲。電路空載損耗可以達(dá)到1W以下。目前在電源適配器及相關(guān)的對(duì)效率，空載損耗要求較高的領(lǐng)域有一定的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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