準諧振軟開關反激變換器的研究

1 引言

現(xiàn)代開關電源發(fā)展的一個重要方向是開關的高頻化，因為高頻化可以使開關變換器的體積、重量大大減小，從而提高變換器的功率密度。提高開關頻率可以降低開關電源的音頻噪聲，改善動態(tài)響應。實現(xiàn)高頻化，必須降低開關損耗，軟開關技術是減少開關損耗的重要方法之一。軟開關是指零電壓開關（Zero Voltage Switching,ZVS）或零電流開關(Zero Current Switching,ZCS)。它應用諧振的原理使開關變換器中開關管的電壓或電流按正弦或準正弦規(guī)律變化，當電壓自然過零時，使器件開通；當電流自然過零時，使器件關斷，實現(xiàn)開關損耗為零，從而可以使開關頻率提高。

反激變換器在低功率場合應用十分廣泛，但是，由于開關管存在容性開通損耗，限制了開關頻率的提高。原理上有很多種方法可實現(xiàn)軟開關，但是大多數(shù)開關要承受很高的電壓應力，因此不適合用于輸入電壓比較高的場合。由反激變換器的工作原理可知，當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，開關兩端電容與變壓器原邊電感產生諧振，本文將研究如何利用產生的諧振來實現(xiàn)開關管的軟開關工作，減小開關管的開通損耗。

2 準諧振軟開關反激變換器工作原理

準諧振軟開關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包括開關管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 準諧振軟開關反激變換器原理圖

根據(jù)反激變換器的工作原理，當電路工作在電感電流斷續(xù)時，在開關管Q開通時，流過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為初級電感Lp=Lm＋Lk；ton為開關管導通時間。

圖2為電路工作在DCM模式下開關管Q上的vds波形。

從圖2可以看出，在開關管Q關斷之后，Q兩端會產生一個電壓尖峰。這個電壓尖峰是由變壓器漏感Lk和電容Cd振蕩的結果。振蕩的幅值經過幾個周期后減小為零，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通壓降。

經過一段時間tFW以后，反激能量完全傳送給負載，流過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將構成一個RLC諧振電路，開關管Q兩端電壓將產生振蕩，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）

經過時間tv后，vds到達振蕩的最低點Vds,min

Vds,min=Vin－n(Vout＋Vf) （5）

tv=π （6）

可以看出如果n(Vout＋Vf)? Vin，讓開關在tv時刻導通，則開關就能實現(xiàn)零電壓開通。如果n≤(Vout＋Vf)≤Vin，盡管開關無法實現(xiàn)零電壓開通，但是讓開關在tv時刻導通仍然可以在最大程度上減小開關的開通損耗。從以上的分析可以看出，電路零電壓開關工作的條件只與電路的設計參數(shù)相關，而與電路的具體工作狀況無關。

需要注意的是，由于電路中輸入電壓Vin會在一定范圍內變化，給電路的設計帶來了一定困難。特別是在寬范圍輸入場合，在整個輸入范圍內實現(xiàn)零電壓開通將會非常困難。另外，由于電路本質上工作在臨界斷續(xù)模式（DCM boundary）,開關頻率隨著輸入電壓或者負載的變化而變化，其工作頻率推導如下：

ton= （7）

tfw= （8）

fsw== （9）

由于電路工作在DCM boundary模式，因此有

Pin=Lpfsw （10）

可以推導出開關頻率fsw為

fsw= （11）

其中

fT= （12）

可見隨著輸入電壓的升高或者負載的減輕都會使開關頻率上升。

3 設計實例以及實驗結果

根據(jù)以上分析，設計了一個60W的準諧振軟開關反激變換器，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用于檢測流過開關管的電流，腳1為電壓反饋輸入腳，腳2為內部運放輸出腳，腳1、2之間接一個PI補償網絡，腳7為驅動輸出腳。值得注意的是，與一般電流控制型芯片不同的是，L6565有一個電流過零檢測腳4，用來檢測副邊反激電流是否已經減小到零，一旦檢測到過零信號，經過一段延遲時間（tv）將使開關導通實現(xiàn)零電壓開通。

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

從圖4所示開關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始振蕩，當振蕩達到最低點后，開關重新導通，實現(xiàn)了零電壓開關。圖5所示的是開關管的電流波形。圖6所示的是輕載開關管兩端電壓波形。從式（12）可以看出在負載很輕的時候，開關頻率會很高，增加了電路的輕載或空載損耗。L6565針對準諧振電路這個缺點，在內部設置了一個最小關斷時間。從圖6可以看出，在第一次諧振到達最低時，如果此時關斷時間沒有超過內部設置的最小關斷時間，開關管將無法導通，vds將繼續(xù)振蕩，直到關斷時間超過最小關斷時間，開關管才能再次導通。圖7所示的是空載開關管兩端電壓波形，此時開關將進入間歇工作狀態(tài)，以降低開關頻率。電路的空載損耗可以小于1W，滿載效率可以達到85％。

圖4 滿載開關管兩端電壓波形(vds）

圖5 滿載開關電流波形

圖6 輕載開關管兩端電壓波形（vds）

圖7 空載開關管兩端電壓波形（Burst Mode）

4 結語

基于L6565控制的準諧振軟開關反激變換器，經過相應的參數(shù)設計，可以使開關管工作在零電壓開關狀態(tài)，大大減小開關的損耗，降低了EMI噪聲。電路空載損耗可以達到1W以下。目前在電源適配器及相關的對效率，空載損耗要求較高的領域有一定的應用。