为了实现S1的ZVS,t5时刻储存在Lr内的能量足以令S1的输出结电容Cr1放电到零,同时使S2的输出结电容Cr2充电到最大。即
LriLrmin2>=
Cr1vds12+
Cr2vds22(10)
则有
Lr>=(11)
式中:vds=vds1=vds2≈Vin+NVo;
Cr=Cr1+Cr2。
根据式(4)取定合适的谐振周期可以令
iLrmin≈iLrmax=iLrmmax≈
+
(12)
代入式(11)得
Lr>=(13)
2.3 电容Cclamp的设定
根据式(4)有
π<<(1-D)T(14)
化解得
<<Cclamp(15)
在满足式(15)的前提下,取定合适的Cclamp令iLrmax=iLrmin。
2.4 死区时间的确定
为了实现S1的ZVS,必须保证在t6到t7时间内,S1开始导通。否则Lr上电流反向,重新对Cr1充电,这样S1的ZVS条件就会丢失。因此,S2关断后、S1开通前的死区时间设定对S1的ZVS实现至关重要。合适的死区时间为电感Lr与S1及S2的输出结电容谐振周期的1/4,即
tdead1=(16)
严格地讲,开关管输出结电容是所受电压的函数,为方便起见,在此假设Cr1与Cr2恒定。
2.5 有效占空比Deff的计算
有效占空比Deff比开关管S1的占空比D略小。
Deff=D-ΔD(17)
ΔDT≈2
(18)
ΔD≈(19)
代入式(17)得
Deff=D-(20)
2.6 开关管电压应力计算
≈Vin+NVo+
(21)
式(21)中第三项相对来说较小,故开关管的电压应力接近于Vin+NVo。
3 实验结果
为了验证上述ZVS的实现方法,设计了一个实验电路,其规格及主要参数如下:
输入电压Vin 48V;
输出电压Vo 12V;
输出电流Io 0~5A;
工作频率f 100kHz;
主开关S1及S2 IRF640;
变压器激磁电感Lm 144μH;
变压器原副边匝数比n=N 8/3;
电感Lr 10μH;
电容Cclamp 2μF。
图4给出的是负载电流Io=2A时的实验波形。从图4(e)及图4(f)可以看到,S1和S2都实现了ZVS。图5给出了两种Flyback电路的效率曲线,可以看到,有源嵌位Flyback软开关电路有效地提升了变换器的效率。
(a) 流过开关管S1电流 (b) 流过开关管S1电流
(c) 流过开关管Lr电流 (d) 流过副边二极管D电流
(e) 开关管S1软开关波形
(f) 开关管S2软开关波形
图4 实验波形(Io=2A)
图5 效率曲线
4 结语
有源嵌位Flyback软开关电路在实现主开关及辅助开关ZVS的同时,也实现了输出整流二极管的自然关断,因此,有效地减少了开关损耗,提高了变换器效率。另外,它也大大地降低了开关管的电压应力,这从实验波形中可以看得比较清楚。
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