不對稱半橋變換器的研究
摘要：介紹了一種利用互補(bǔ)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(shí)對開關(guān)達(dá)到ZVS的條件進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了這種電路對提高效率的有效性。為了進(jìn)一步改進(jìn)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?fù)?，并進(jìn)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?fù)?，其中不對稱半橋是一個(gè)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(bǔ)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(shí)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(gè)互補(bǔ)控制的功率MOSFET，其中S1的占空比為D，S2的占空比為（1－D），DS1和DS2是開關(guān)的體二極管，CS1和CS2分別是開關(guān)的結(jié)電容。隔直電容Cb，作為開關(guān)S2開通時(shí)的電源。包括漏感Lk，勵(lì)磁電感Lm的中心抽頭的變壓器，原邊匝數(shù)為Np，副邊匝數(shù)分別為Ns1和Ns2。半橋全波整流二級管D1和D2。輸出濾波電感L，電容Cf和負(fù)載RL。
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(dāng)S1導(dǎo)通時(shí)，變壓器原邊承受正向電壓，副邊NS1工作，二極管D1導(dǎo)通，開關(guān)S2，二極管D2截止；
2）當(dāng)S2導(dǎo)通時(shí)，隔直電容Cb加在變壓器的原邊，副邊NS2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=Np/NS1，n2=Np/NS2，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Cb上
Vcb=DVin （1）
從輸出濾波電感的磁平衡，可推導(dǎo)出輸出電壓
Vo= （2）
2.2 開關(guān)的ZVS過程分析
下面分3個(gè)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(shí)刻，S1關(guān)斷，S1的寄生電容CS1被線性充電，S2的寄生電容CS2線性放電。變壓器副邊D1續(xù)流。此階段在t1時(shí)刻vA=Vcb結(jié)束。
2）開關(guān)模式2（t1～t2） t=t1時(shí)，變壓器原邊電壓變?yōu)樨?fù)，電容CS1、CS2和漏感Lk發(fā)生串聯(lián)諧振。
vA(t)=Vcb－Ip1Znsinωk(t－t1) （3）
ip(t)=Ip1cosωk(t－t1) （4）
式中：Ip1為t1時(shí)的變壓器原邊電流；
Zn為特征阻抗，Zn=；
ωk為諧振角頻率ωk=； [!--empirenews.page--]
C=CS1=CS2。
由于負(fù)壓加在Lk上，漏感電流Ip開始減小。副邊為了保持輸出電流Io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(shí)，vA=0時(shí)，S2的體二極管DS2開始導(dǎo)通，為S2創(chuàng)造了零電壓開通的條件。這時(shí)一個(gè)恒定的電壓Vcb加在Lk上，變壓器原邊電流ip線性下降，在t=t3時(shí)，ip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(dāng)設(shè)計(jì)開關(guān)脈沖之間的死區(qū)時(shí)間（ta－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(gè)條件。
（1）在S2開通時(shí)，S2兩端的電壓（即vA）必須小于零且ip仍為正向，也就是說，電路要有一定的負(fù)載電流，由式（3）可得
ip1> （5）
從而得出特征阻抗要滿足的條件為
Zn> （6）
（2）兩個(gè)開關(guān)脈沖之間要保證適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)間，使得S2在其電壓過零時(shí)開通。也就是要滿足t2－t0<ta－t0<t3－t0，其中
t2－t0=C＋arcsin （7）
t3－t0=(t2－t0)＋Lk （8）
S1的零電壓開通過程同S2類似。當(dāng)S2關(guān)斷，S1準(zhǔn)備開通時(shí)，ip給CS2充電，而CS1放電。Lk，CS1，CS2組成串聯(lián)諧振電路。當(dāng)CS1上的電壓放到零時(shí)，S1的體二極管DS1開通，這時(shí)開通S1，就實(shí)現(xiàn)了S1的ZVS開通。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)以上的分析，設(shè)計(jì)了一個(gè)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，Np=10匝，NS1=NS2=6匝。實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了ZVS。
(b) Vin=60V
(a) Vin=40V
(d) Vin=60V
(c) Vin=40V
圖4 在不同輸入電壓時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形 [!--empirenews.page--]
4 不對稱半橋的改進(jìn)
對圖1的穩(wěn)態(tài)分析還可以得出輸出二級管關(guān)斷時(shí)承受的反向電壓
VD1= （9）
VD2= （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(dāng)占空比很小時(shí)，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(shí)更加嚴(yán)重。
如果采用副邊繞組不相等的電路（即Ns2/Ns1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(shí)不對稱半橋的輸出電壓為
Vo= （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=Ns2/Ns1 （12）
則式（11）可變?yōu)?
Ns1= （13）
令占空比的變化范圍為D1～D2，且D1<0.5<D2，也就是說，當(dāng)輸入電壓為最大值Vinmax時(shí)，占空比為D1，當(dāng)輸入電壓為最小值時(shí)，占空比為D2，即
Ns1= （14）
Ns1= （15）
由式(14)，式(15)可得
=· （16）
令f(D2)=，并求這個(gè)函數(shù)的最大值，可以得出，在
D2= （17）
時(shí)，函數(shù)f(D2)取得最大值。顯而易見，當(dāng)占空比對稱地分布在0.5左右時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(shí)輸出二極管的電壓應(yīng)力圖。從圖5中可以看出，當(dāng)Ns2/Ns1增加時(shí)，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(dāng)Ns2/Ns1=1時(shí)，2個(gè)二極管的電壓應(yīng)力范圍約為25～50V。當(dāng)Ns2/Ns1=3時(shí)，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(bǔ)的PWM控制，充分利用電路的特性，以諧振的方式達(dá)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(shí)，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(jìn)一步提高了電路的效率。
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