反激式開關(guān)電源的零電壓開關(guān)設(shè)計(jì)
反激式開關(guān)電源以電路簡(jiǎn)單電磁干擾相對(duì)小而得到廣泛應(yīng)用，對(duì)開關(guān)電源的輸出電壓尖峰和EMI也提出了更高的要求，通常減小EMI的方法主要是采用自激型反激式開關(guān)電源，用開關(guān)速度相對(duì)慢的雙極晶體管作為主開關(guān);加大緩沖電路電容量來降低關(guān)斷過程的dz/dt，di/dt產(chǎn)生的EMI用減緩導(dǎo)通過程減小開通EMI，付出的代價(jià)是電源效率下降，發(fā)熱量大，可靠性下降。因而需要一種低EMI，高效的反激式開關(guān)電源，軟開關(guān)反激式開關(guān)電源，便是比較理想的解決方案。
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(gè)階段：開關(guān)管關(guān)斷及緩沖電路作用階段，變壓器釋放儲(chǔ)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(shí)刻控制電路將開關(guān)管關(guān)斷，變壓器初級(jí)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(jí)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)了“零電壓。關(guān)斷。為確保“零電壓”關(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(shí)緩沖電容器電壓仍為很小值，變壓器初級(jí)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(jí)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(shí)間約為開關(guān)周期1/20左右，與開關(guān)周期相比相對(duì)很短，變壓器初級(jí)電流變化很小，為分析方便可以認(rèn)為變壓器初級(jí)電流不變，這樣緩沖電容器電壓為：
其中Ics為t1時(shí)刻變壓器初級(jí)電流值，可近似為t0時(shí)刻值。當(dāng)級(jí)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(jí)側(cè)電壓值）后，即t2時(shí)刻，輸出整流二極管導(dǎo)通，變壓器儲(chǔ)能經(jīng)輸出整流二極管想輸出端釋放，變壓器初級(jí)電流為零。電路進(jìn)入變壓器釋放儲(chǔ)能階段。
1.2 變壓器釋放儲(chǔ)能階段
變壓器通過次級(jí)繞組、輸出整流二極管向輸出端釋放儲(chǔ)能。變壓器次級(jí)電流為：
變壓器次級(jí)電流降到零，變壓器儲(chǔ)能全部釋放，輸出整流二極管自然關(guān)斷，電路進(jìn)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(duì)應(yīng)t3-t4期間為使緩沖電容器在下一個(gè)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(jí)電感。電路如圖5。
當(dāng)變壓器儲(chǔ)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(jí)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(shí)，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(jí)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(shí)，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(shí)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(shí)間減小，反之導(dǎo)通時(shí)間增加;隨輸出功率的增加或減小變壓器初次級(jí)電流峰值均增加或減小，由式（3）可知變壓器的釋放儲(chǔ)能時(shí)間也隨之增加或減少，為實(shí)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(shí)間，用“零電壓”檢測(cè)控制開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)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(duì)有損耗緩沖電路整機(jī)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(shí)現(xiàn)了零電壓開通，同時(shí)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(shí)間和緩變電壓下緩慢反向恢復(fù)，開通時(shí)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(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)“零”或極低的輸出電壓尖峰和EMU，實(shí)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(huì)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(shí)是必要的，也可以采用開通過程的比例驅(qū)動(dòng)。由于零電壓開關(guān)消除了變壓器儲(chǔ)能釋放盡后緩沖電容器與變壓器初級(jí)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(hù)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(hù)方式。
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