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。

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。