[发明专利]临界连续模式反激变换器的控制装置及方法

说明书

本发明的目的是提供一种临界连续模式反激变换器的控制装置及方法，属于功率变换技术范围，采用该控制装置与控制方法可在变输入电压条件下自适应地调整副边同步整流管导通时间，从而实现临界连续模式反激变换器在变输入条件下原边开关管的零电压开通，同时保证副边同步整流管导通时间的最优化，最大限度减小变换器的环流损耗。

技术领域

本发明涉及一种基于同步整流(SR)的零电压开通(ZVS)临界连续模式(CRM)反激(Fly-back)变换器的控制方法及其装置，属于功率变换技术范围，特别是涉及高频高效率的功率变换技术领域。

背景技术

随着电力电子技术的迅猛发展，各种开关变换器在日常生活的应用越来越广泛，但同时人们对开关变换器的高功率密度与高效率提出了更为严苛的要求。小功率隔离型DC/DC变换器常采用Fly-back拓扑，其具有电路简单、成本低廉等优点，因此广泛应用于各种适配器电源。

在适配器电源中，无源元件(包括EMI滤波器，磁性元件如电感、变压器，容性元件如电容)的体积和重量是其功率密度进一步提高的限制因素。为提高适配器电源功率密度，提高变换器的开关频率行之有效。随开关频率大幅提高，变换器中无源元件的体积和重量可大幅减小，然而变换器的开关损耗也将随之增加，导致牺牲变换器工作效率下降。在高频化的应用背景下，为兼顾变换器的高功率密度与高效两个指标，采用软开关的控制方法或软开关拓扑尤为重要。

一般地，Fly-back变换器根据工作模式可分为三种：变压器原副边电流连续模式(CCM)、变压器原副边电流临界连续模式(CRM)、变压器原副边电流断续模式(DCM)。其中，CRM Fly-back变换器可实现原边开关管的谷底开通与副边二极管的零电流关断(副边二极管的反向恢复损耗为零)，因此开关损耗小、效率高，成为兼顾高功率密度与高效两个重要指标的小功率电源适配器的主要待选者，也成为近年来高功率密度高效适配器的重要研究对象。

为进一步提高CRM Fly-back变换器效率，同步整流(SR)技术被采用以减小变换器副边器件的导通损耗。所谓SR技术就是在变换器副边侧采用工作在同步整流状态(与原边开关管相互补)的开关管(下称同步整流管)代替原有二极管，利用副边同步整流管在大电流导通条件下极低的导通电阻与极低的导通损耗代替原有二极管较高的导通压降与导通损耗，从而节省导通损耗，提升变换器效率。这种方法对改善低压大电流的单级式Fly-back变换器的效率效果明显。

另外，有研究表明：随变换器开关频率提高，CRM Fly-back变换器原边开关管在谷底开通条件下的结容损耗不能忽略。所谓结容损耗是指：开关管输出结电容在其开通前存储有一定电压与能量，该能量在开关管开通后的短暂瞬间被开关管沟道短路从而释放并耗散在开关管导通电阻上。影响结容损耗的因素分别是变换器的开关频率与开关管开通时刻的谷底电压。开关频率越高，结容损耗越大；开关管开通时刻的谷底电压越高，结容损耗越大。在高频化发展趋势下，降低开关管开通时刻的谷底电压是降低CRM Fly-back变换器中结容损耗的唯一途径。文献[1]基于SR CRM Fly-back变换器(输入电压范围为100VDC-370VDC)，在副边电流降为零后对副边同步整流管额外增加某固定的导通时间，实现对Fly-back变压器原边激磁电感的反向激磁，反向的原边激磁电感电流对原边开关管的结电容进行抽流，使开关管结电容上的电压可在后续谐振阶段降低至零，从而实现原边开关管的零电压开通(ZVS)(此时开关管结电容的电压与能量均为为零)，显著降低开关管结容损耗，提高变换器效率。然而，文献[1]为保证在输入电压(100VDC-370VDC)范围内实现CRM Fly-back变换器原边开关管的ZVS，在变换器的最恶劣工作点(最高输入电压即370VDC)设计额外增加的固定导通时间。然而这种依照变换器最恶劣工作点设计的固定导通时间对于较低输入电压条件属过量设计(较低输入电压条件下所需导通时间一般较小)，导致Fly-back变压器反向激磁电流的激励值偏大，使得变换器的环流增加，增加Fly-back变压器导通损耗与磁滞损耗，牺牲变换器效率。

发明内容