不對稱半橋變換器的研究

摘要：介紹了一種利用互補的PWM控制的不對稱半橋DC/DC變換器。分析了電路的穩(wěn)態(tài)過程和開關(guān)的ZVS過程，同時對開關(guān)達到ZVS的條件進行了分析。實驗結(jié)果表明了這種電路對提高效率的有效性。為了進一步改進電路，針對電路輸出二極管的電壓應(yīng)力的不平衡，提出了一種副邊繞組不相等的拓撲，并進行了分析。

關(guān)鍵詞：不對稱半橋；零電壓開關(guān)；效率

1    引言

    近年來，軟開關(guān)技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，提出了不少高效率的電路拓撲，其中不對稱半橋是一個比較典型的電路。

    不對稱半橋是一種適用于中低功率的DC/DC零電壓開關(guān)（ZVS）變換器電路。該電路采用固定死區(qū)的互補PWM控制方式，不需要外加元件，充分利用電路本身的分布特性，通過變壓器漏感和開關(guān)寄生電容的諧振，實現(xiàn)零電壓開關(guān)。這種電路保持了PWM開關(guān)模式的低開關(guān)導(dǎo)通損耗，而且消除了開關(guān)的導(dǎo)通損耗，因此，可以得到很高的效率。

2    主電路的工作原理分析

2.1    電路的穩(wěn)態(tài)分析

    不對稱半橋的主電路如圖1所示。圖1中包括兩個互補控制的功率MOSFET，其中S₁的占空比為D，S₂的占空比為（1－D），D_S1和D_S2是開關(guān)的體二極管，C_S1和C_S2分別是開關(guān)的結(jié)電容。隔直電容C_b，作為開關(guān)S₂開通時的電源。包括漏感L_k，勵磁電感L_m的中心抽頭的變壓器，原邊匝數(shù)為N_p，副邊匝數(shù)分別為N_s1和N_s2。半橋全波整流二級管D₁和D₂。輸出濾波電感L，電容C_f和負載R_L。

圖1    不對稱半橋主電路圖

    電路的穩(wěn)態(tài)工作原理為：

    1）當S₁導(dǎo)通時，變壓器原邊承受正向電壓，副邊N_S1工作，二極管D₁導(dǎo)通，開關(guān)S₂，二極管D₂截止；

    2）當S₂導(dǎo)通時，隔直電容C_b加在變壓器的原邊，副邊N_S2工作，開關(guān)S₁，二極管D₁截止。

    理想的工作波形見圖2。其中n₁=N_p/N_S1，n₂=N_p/N_S2，且n₁=n₂=n。通過對電路的穩(wěn)態(tài)分析，可以得到以下的一些公式。

圖2    不對稱半橋的理想波形

    由于變壓器的伏秒平衡，電壓的直流分量都加在隔直電容C_b上

    V_cb=DV_in    （1）

    從輸出濾波電感的磁平衡，可推導(dǎo)出輸出電壓

    V_o=    （2）

2.2    開關(guān)的ZVS過程分析

    下面分3個工作模式來分析開關(guān)S2的ZVS過程。理想的工作波形見圖3。

圖3    不對稱半橋開關(guān)S2的ZVS過程的波形

    1）開關(guān)模式1（t₀～t₁）    在t₀時刻，S₁關(guān)斷，S₁的寄生電容C_S1被線性充電，S₂的寄生電容C_S2線性放電。變壓器副邊D₁續(xù)流。此階段在t₁時刻v_A=V_cb結(jié)束。

    2）開關(guān)模式2（t₁～t₂）    t=t₁時，變壓器原邊電壓變?yōu)樨?，電?i>C_S1、C_S2和漏感L_k發(fā)生串聯(lián)諧振。

    v_A(t)=V_cb－I_p1Z_nsinω_k(t－t₁)    （3）

    i_p(t)=I_p1cosω_k(t－t₁)    （4）

式中：I_p1為t₁時的變壓器原邊電流；

      Z_n為特征阻抗，Z_n=；

           ω_k為諧振角頻率ω_k=； [!--empirenews.page--]

      C=C_S1=C_S2。

    由于負壓加在L_k上，漏感電流I_p開始減小。副邊為了保持輸出電流I_o不變，整流二級管D₁和D₂一起導(dǎo)通，變壓器副邊等效短路，變壓器原邊電壓全部加在漏感上。

    3）開關(guān)模式3（t₂～t₄）    在t=t₂時，v_A=0時，S₂的體二極管D_S2開始導(dǎo)通，為S₂創(chuàng)造了零電壓開通的條件。這時一個恒定的電壓V_cb加在L_k上，變壓器原邊電流i_p線性下降，在t=t₃時，i_p過零，并反向增大，二極管D₁和D₂繼續(xù)共同導(dǎo)通。

    S₂必須在t₂～t₃之間導(dǎo)通，否則將失去零電壓開通條件。所以要適當設(shè)計開關(guān)脈沖之間的死區(qū)時間（t_a－t₀）。

    通過對不對稱半橋開關(guān)S₂的開通瞬態(tài)分析可知，要使開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS開通，必須滿足以下兩個條件。

    （1）在S₂開通時，S₂兩端的電壓（即v_A）必須小于零且i_p仍為正向，也就是說，電路要有一定的負載電流，由式（3）可得

    i_p1>    （5）

從而得出特征阻抗要滿足的條件為

    Z_n>    （6）

    （2）兩個開關(guān)脈沖之間要保證適當?shù)乃绤^(qū)時間，使得S₂在其電壓過零時開通。也就是要滿足t₂－t₀<t_a－t₀<t₃－t₀，其中

    t₂－t₀=C＋arcsin    （7）

    t₃－t₀=(t₂－t₀)＋L_k    （8）

    S₁的零電壓開通過程同S₂類似。當S₂關(guān)斷，S₁準備開通時，i_p給C_S2充電，而C_S1放電。L_k，C_S1，C_S2組成串聯(lián)諧振電路。當C_S1上的電壓放到零時，S₁的體二極管D_S1開通，這時開通S1，就實現(xiàn)了S₁的ZVS開通。

3    實驗結(jié)果

    根據(jù)以上的分析，設(shè)計了一個頻率為100kHz的電路。輸入電壓為40～60V，輸出電壓為12V，輸出電流為6A。原邊開關(guān)選用STP75NE75，D₁選用STP10H100CT，D₂選用STP30L60CT。功率變壓器選用EER28骨架，N_p=10匝，N_S1=N_S2=6匝。實驗所得的S₁、S₂的漏源極電壓波形與漏極電流波形見圖4。從圖4中可以看出，S₁和S₂都實現(xiàn)了ZVS。

(b)    V_in=60V

(a)    V_in=40V

(d)    V_in=60V

(c)    V_in=40V

圖4    在不同輸入電壓時的實驗波形 [!--empirenews.page--]

4    不對稱半橋的改進

    對圖1的穩(wěn)態(tài)分析還可以得出輸出二級管關(guān)斷時承受的反向電壓

    V_D1=    （9）

    V_D2=    （10）

    如前所述,不對稱半橋占空比的最大值是0.5。所以,從式（9）和式（10）可以得出，當占空比很小時，二極管D₂承受的反壓就會很大。而且這種情況在輸入電壓范圍寬時更加嚴重。

    如果采用副邊繞組不相等的電路（即N_s2/N_s1大于1），則占空比就可以大于0.5，從而消除這種二極管電壓應(yīng)力不均的問題。這時不對稱半橋的輸出電壓為

    V_o=    （11）

    下面具體推導(dǎo)如何根據(jù)已知條件求出Ns2/Ns1的值。

    令a=N_s2/N_s1    （12）

    則式（11）可變?yōu)?

    N_s1=    （13）

    令占空比的變化范圍為D₁～D₂，且D₁<0.5<D₂，也就是說，當輸入電壓為最大值V_inmax時，占空比為D₁，當輸入電壓為最小值時，占空比為D₂，即

    N_s1=    （14）

    N_s1=    （15）

由式(14)，式(15)可得

    =·    （16）

令f(D₂)=，并求這個函數(shù)的最大值，可以得出，在

    D₂=    （17）

時，函數(shù)f(D₂)取得最大值。顯而易見，當占空比對稱地分布在0.5左右時，可以得到最理想效果?？梢缘玫?

    D₁=    （18）

把式（17）和（18）代入式（16），就可以得到a的值了。

    以本文實驗為例，來說明不對稱繞組對二極管選用的好處。

    圖5是輸出電壓為12V時輸出二極管的電壓應(yīng)力圖。從圖5中可以看出，當N_s2/N_s1增加時，二極管D₁的電壓應(yīng)力會增大，而二極管D₂的電壓應(yīng)力會減小。當N_s2/N_s1=1時，2個二極管的電壓應(yīng)力范圍約為25～50V。當N_s2/N_s1=3時，二極管的最大電壓應(yīng)力小于35V。

圖5    輸出二極管的電壓應(yīng)力

5    結(jié)語

    不對稱半橋DC/DC變換器由于采用了互補的PWM控制，充分利用電路的特性，以諧振的方式達到開關(guān)的ZVS開通，從而消除了開關(guān)損耗，提高了電路的效率。

    同時，采用副邊繞組的不對稱解決了普通的不對稱半橋電路輸出二極管電壓應(yīng)力不均的問題。這樣可以選用低電壓的二極管，即節(jié)約了成本，還進一步提高了電路的效率。