反激式開關(guān)電源的零電壓開關(guān)設(shè)計

　　1 零電壓開關(guān)

　　零電壓開關(guān)反激式開關(guān)電源主電路如圖1

　　主要波形 如圖2，電路工作過程分為四個階段：開關(guān)管關(guān)斷及緩沖電路作用階段，變壓器釋放儲能階段，緩沖電路復(fù)位階段，開關(guān)管導(dǎo)通階段。

　　1.1 開關(guān)管關(guān)斷及緩沖電路作用階段

　　圖 2波 形 中，t。一t。期間為開關(guān)管關(guān)斷及緩沖電路作用階段，等效電路如圖3，在t。時刻控制電路將開關(guān)管關(guān)斷，變壓器初級電流由開關(guān)管向緩沖電容器轉(zhuǎn)移，開關(guān)管電流下降，緩沖電容器電流上升，開關(guān)管電流下降，直到零變壓器初級電流全部轉(zhuǎn)移到緩沖電容器，等效電路如圖3，開關(guān)管的關(guān)斷過程結(jié)束開關(guān)管關(guān)斷過程的長短取決于開關(guān)管自身特性和控制電路，一般為開關(guān)周期的1/100 - 1/201〕或百納秒左右。由于緩沖電容器上的電壓不能躍變，使開關(guān)管關(guān)斷過程中漏、源電壓很低接近于零，實現(xiàn)了“零電壓。關(guān)斷。為確?！傲汶妷骸标P(guān)斷，緩沖電容器應(yīng)取較大值，這樣開關(guān)管在關(guān)斷過程結(jié)束時緩沖電容器電壓仍為很小值，變壓器初級電壓極性沒有改變，輸出整流二極管陽極反向電壓不能導(dǎo)通，變壓器初級電流仍需流過緩沖電容器，直到緩沖過程結(jié)束。緩沖過程的持續(xù)時間約為開關(guān)周期1/20左右，與開關(guān)周期相比相對很短，變壓器初級電流變化很小，為分析方便可以認為變壓器初級電流不變，這樣緩沖電容器電壓為：

　　其中Ics為t1時刻變壓器初級電流值，可近似為t0時刻值。當(dāng)級沖電容器電壓上升到（ VR為穩(wěn)壓電源輸出電壓反射到變壓器初級側(cè)電壓值）后，即t2時刻，輸出整流二極管導(dǎo)通，變壓器儲能經(jīng)輸出整流二極管想輸出端釋放，變壓器初級電流為零。電路進入變壓器釋放儲能階段。

　　1.2 變壓器釋放儲能階段

　　變壓器通過次級繞組、輸出整流二極管向輸出端釋放儲能。變壓器次級電流為：

　　變壓器次級電流降到零，變壓器儲能全部釋放，輸出整流二極管自然關(guān)斷，電路進人緩沖電路復(fù)位階段。

　1.3 緩沖電路復(fù)位階段

　　緩沖電路復(fù)位階段對應(yīng)t3-t4期間為使緩沖電容器在下一個開關(guān)周期能起到緩沖作用，保證開關(guān)管“零電壓”關(guān)斷和“零電壓”開通，需將緩沖電容器放電，將電荷全部泄放，即復(fù)位。與有損耗緩沖電路不同，無損耗緩沖電路采用LC諧振方式將緩沖電容器復(fù)位，本文電路的復(fù)位電感為變壓器初級電感。電路如圖5。

當(dāng)變壓器儲能釋放盡，由于緩沖電容器上電壓vcn高于電源電壓Ein，緩沖電容器通過變壓器初級電感以LC諧振方式將緩沖電容器電壓復(fù)位，由于復(fù)位過程緩沖電容器電壓將低于Ein+VR ，輸出整流二極管自然關(guān)斷，等效電路為：

　　1.4 開關(guān)管導(dǎo)通階段

　　開關(guān)管導(dǎo)通階段為t3-t4階段，當(dāng)緩沖電容器上電壓降到零或最低時，開關(guān)管在零電壓或最低電壓導(dǎo)通，變壓器電流上升，等效電路如圖6

　　變壓器初級電流為

　　2、控制方式

　　反激式開關(guān)電源工作在電流斷續(xù)模式時，穩(wěn)壓過程遵守能量守衡原理，即式（7），由式（7），（8）得

　　由（ 9） ，（ 10）或可知，調(diào)節(jié)輸出功率、穩(wěn)定輸出電壓可以調(diào)節(jié)導(dǎo)通時間或占空比或調(diào)頻方式或幾種方式綜合應(yīng)用。當(dāng)輸出功率下降或電源電壓上升，導(dǎo)通時間減小，反之導(dǎo)通時間增加;隨輸出功率的增加或減小變壓器初次級電流峰值均增加或減小，由式（3）可知變壓器的釋放儲能時間也隨之增加或減少，為實現(xiàn)“零電壓”開關(guān)，變壓器不能工作在間歇狀態(tài)，因此F%IM控制方式不能滿足本文電路的“零電壓”開通的要求。基于 上 述 工作條件的約束，本文電路應(yīng)采用輸出電壓反饋控制導(dǎo)通時間，用“零電壓”檢測控制開關(guān)管導(dǎo)通時刻，即調(diào)頻、 調(diào)占空比工作方式。具體電路可以采用通用器件組合，如圖70

　　3 電路性能分析

　　本文提出的“零電壓”開關(guān)方式。復(fù)位過程也無損耗，基本消除了開關(guān)過程中的開關(guān)損耗，因此效率高，通常高于85%相對有損耗緩沖電路整機電源效率高5-10%，不僅如此由于“零電壓”開關(guān)在開通過程中基本上實現(xiàn)了零電壓開通，同時電感電流也為零，使開通過程既無能量交換（包括寄生參數(shù)的能量交換）又使輸出整流二極管在緩沖電路復(fù)位過程中有充分時間和緩變電壓下緩慢反向恢復(fù)，開通時刻因寄生振蕩所產(chǎn)生的輸出電壓尖峰和EMI大幅度降低，由于零電壓關(guān)斷和較大容t緩沖電容器使關(guān)斷過程避免了大的dv/dt，抑制了變壓器漏感和二極管開通造成的寄生振蕩，因而開關(guān)管關(guān)斷時刻的輸出尖峰電壓和EMU也很小，基本上消除了常規(guī)有損耗緩沖電路對以致開關(guān)電壓尖峰抑制現(xiàn)象。

　　盡管電路原理分析可以實現(xiàn)“零”或極低的輸出電壓尖峰和EMU，實際上由于各種原因的寄生振蕩仍然存在，在開關(guān)過程中也會產(chǎn)生不同程度的輸出電壓尖峰和E閉，因此適當(dāng)減緩開關(guān)過程有時是必要的，也可以采用開通過程的比例驅(qū)動。由于零電壓開關(guān)消除了變壓器儲能釋放盡后緩沖電容器與變壓器初級電感的寄生振蕩，有利于減小變壓器的損耗。本文 提 出 的反激式開關(guān)電源零電壓開關(guān)電路的過電流保護應(yīng)采用逐周峰值電流限制方式，在過電流狀態(tài)下將不是零電壓開關(guān)，開關(guān)損耗將增加，因此應(yīng)輔之以“打隔”保護方式。