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1、不对称半桥变换器引言引言 目前高频化已成为电力电子电路的主要特点，它目前高频化已成为电力电子电路的主要特点，它可以使变换器具有更高的功率密度、高可靠、低噪可以使变换器具有更高的功率密度、高可靠、低噪声和快速响应能力，但由于电力电子开关器件的开声和快速响应能力，但由于电力电子开关器件的开关损耗与开关频率成正比，频率越高，器件和电路关损耗与开关频率成正比，频率越高，器件和电路的损耗越大，变换器的效率也就越低。采用零电压的损耗越大，变换器的效率也就越低。采用零电压开关和零电流开关技术可以极大地减少变换器的开开关和零电流开关技术可以极大地减少变换器的开关损耗。关损耗。本讲座将介绍最近研制的本讲座将介绍
2、最近研制的600W600W的不对称半的不对称半桥（桥（AHBAHB）直流变换器，采用）直流变换器，采用ZVSZVS软开关技术减软开关技术减少器件的开关损耗。少器件的开关损耗。不对称半桥的原理时序分析以输出滤波电感电流以输出滤波电感电流iLo连续为例。连续为例。驱动波形说明：驱动波形说明：为了防止S1、S2出现共同导通，设置死区时间Td1、Td2。Ugs1、Ugs2分别是开关管S1、S2的驱动控制信号。说明：为了说明：为了分析方便死分析方便死区时间设置区时间设置偏长偏长不对称半桥的工作模态分析：不对称半桥的工作模态分析：t0时刻前时刻前 S1导通，导通，p点电压点电压Up=Ui，变压器变压器T一
3、次绕组电流一次绕组电流i p经开经开关管关管S1、电容、电容C1、一次绕组、一次绕组N1、电感、电感Ls、检测电阻、检测电阻Rs流通流通.D1导通，导通，D2截止。截止。不对称半桥的工作模态分析不对称半桥的工作模态分析:t0t1滤波电感电流滤波电感电流iLo经电感经电感Lo、电容、电容Co、D1、N2流通，流通，D1的电流的电流iD1=iLo；t0时刻，时刻，S1关断，关断，ip转移流经电容转移流经电容CS1和和CS2，CS1开始充电、电压线开始充电、电压线性上升，性上升，CS2开始放电、电压线性开始放电、电压线性下降，下降，N1和和Ls上电压下降，上电压下降，Umn下下降，降，iLo仍然经二
4、极管仍然经二极管D1流通。流通。稳态时，稳态时，Ls和和Rs上的电压很小。上的电压很小。不对称半桥的工作模态分析不对称半桥的工作模态分析:t0t1UC1：电容：电容C1上电压上电压二次侧二极管整流电压二次侧二极管整流电压Umn：根据变压器伏秒平衡：根据变压器伏秒平衡：不对称半桥的工作模态分析：不对称半桥的工作模态分析：t1时刻时刻p=UCS2=UC1，UN1=0，ULs=0，Umn=0，ip正向最大值。正向最大值。不对称半桥的工作模态分析不对称半桥的工作模态分析:t1t2 t1时刻后，时刻后，CS1继续充电，继续充电，CS2继续继续放电，变压器一次绕组放电，变压器一次绕组N1和和Ls开始承开始
5、承受反向电压，电流受反向电压，电流ip开始减小。开始减小。为了保持为了保持iLo不变，不变，iD1减小，减小，iD2上上升，二极管升，二极管D1、D2同时导通，同时导通，mn=0，变压器二次等效短路，一次，变压器二次等效短路，一次绕组绕组N1电压为零，反向电压由电压为零，反向电压由Ls单独单独承受。承受。不对称半桥的工作模态分析不对称半桥的工作模态分析t2时刻时刻t2时刻，时刻，CS1上升到上升到p，UCS2下降到零，下降到零，i p经经DS2流通。二极流通。二极管管D1、D2维持同时导通，维持同时导通，iD1减减小，小，iD2上升，上升，Ls承受最大反向承受最大反向电压电压-UC1，ip继续
6、减小，下降斜继续减小，下降斜率达到最大，至率达到最大，至t3时时i p 为零。为零。不对称半桥的工作模态分析不对称半桥的工作模态分析t2t3开关管开关管S S2 2的驱动控制信的驱动控制信号号V Vgs2gs2由零变为高电平，由零变为高电平，由于由于S S2 2的漏源电压为零，的漏源电压为零，S S2 2实现实现ZVSZVS零电压开通。零电压开通。S S2 2开通后，开通后，i ip p经经S S2 2、DSDS2 2流通。显然，流通。显然，ZVSZVS时间时间段（段（t t2 2tt3 3）长短主）长短主要有要有i iLoLo折射到一次的值、折射到一次的值、LsLs及变压器平均激磁电及变压器
7、平均激磁电流流I Im m大小决定。大小决定。不对称半桥的工作模态分析不对称半桥的工作模态分析t3t4t3时刻后，时刻后，Ls仍承受电压仍承受电压-VC1，ip继续下降，使继续下降，使ip反向增加，反向增加，ip经绕经绕组组N1、电容、电容C1、开关管、开关管S2、电感、电感Ls流通。流通。至至t4时，时，iD1下降至零，下降至零，iD2上升为上升为iLo，二极管，二极管D1关断、关断、D2继续导通，继续导通，变压器短路状态结束。变压器短路状态结束。不对称半桥的工作模态分析不对称半桥的工作模态分析t4t5 t4时刻后，变压器短路状态结时刻后，变压器短路状态结束，绕组束，绕组N1和和Ls共同承受
8、电压共同承受电压-UC1。由于变压器激磁电感由于变压器激磁电感Lm远大远大于于Ls，Ls上的电压可忽略。上的电压可忽略。iLo经经电感电感Lo、电容、电容Co、二极管、二极管D2、二、二次绕组次绕组N3流通，流通，iD2=iLo。不对称半桥的工作模态分析不对称半桥的工作模态分析t4t5此时二次侧二极管整流电此时二次侧二极管整流电压为：压为：不对称半桥的工作模态分析不对称半桥的工作模态分析t5t6t5时刻，时刻，S2关断，关断，ip转移转移流经电容流经电容CS1和和CS2，CS2开始充电，开始充电，CS1开始放开始放电，电压线性下降，绕电，电压线性下降，绕组组N1和和Ls上反向电压绝上反向电压绝
9、对值下降，对值下降，Umn下降，下降，iLo仍经仍经D2流通。流通。不对称半桥的工作模态分析不对称半桥的工作模态分析t5t6t6时刻，该阶段结束，时刻，该阶段结束，此时此时UP（UCS2）=UC1，N1和和Ls上反向电压下降上反向电压下降到零，到零，Umn=0，ip为反为反向最大值。向最大值。不对称半桥的工作模态分析不对称半桥的工作模态分析t6t7 t6时刻后，时刻后，CS2继续充电使继续充电使电压上升，电压上升，CS1继续放电使电压继续放电使电压下降，绕组下降，绕组N1 和和Ls开始承受正开始承受正向电压，向电压，i p开始正向上升（绝开始正向上升（绝对值减小），为保持对值减小），为保持iL
10、o不变，不变，iD2减小，减小，iD1上升，二极管上升，二极管D1、D2同时导通，同时导通，U mn=0。不对称半桥的工作模态分析不对称半桥的工作模态分析t6t7变压器二次侧等效短路，变压器二次侧等效短路，一次绕组一次绕组N N1 1电压为零，正电压为零，正向电压由向电压由LsLs单独承受。单独承受。不对称半桥的工作模态分析不对称半桥的工作模态分析t7t8t7时刻，时刻，UCS2（UP）上升到）上升到Ui，UCS1下降到零，下降到零，ip经二极管经二极管DS1流通。二极管流通。二极管D1、D2同时导通，同时导通，iD1上升，上升，iD2减小，减小，Ls承受最大承受最大正向电压（正向电压（Ui-
11、UC1），），ip继续正继续正向上升（绝对值减小），上升向上升（绝对值减小），上升斜率达到最大。斜率达到最大。不对称半桥的工作模态分析不对称半桥的工作模态分析t7t8 t8时刻，时刻，ip为零。在为零。在t7t8阶段，开关管阶段，开关管S1的的控制信号控制信号Vgs1由零变为由零变为高电平，由于高电平，由于S1漏源电漏源电压为零，压为零，S1实现实现ZVS零零电压开通。电压开通。S1开通后，开通后，ip经经S1流通。流通。不对称半桥的工作模态分析不对称半桥的工作模态分析t8t9t8时刻后，时刻后，Ls继续承受电压（继续承受电压（Ui-UC1），），ip继续正向上升，使继续正向上升，使ip正正向
12、增加，向增加，ip经开关经开关S1、电容、电容C1、绕组绕组N1、电感、电感Ls、检测电阻、检测电阻Rs流流通；通；至至t9时，时，iD2减小到零，减小到零，iD1上升到上升到iLo，二极管，二极管D2关断，关断，D1继续导通，继续导通，变压器结束短路状态。变压器结束短路状态。不对称半桥的工作模态分析不对称半桥的工作模态分析t9t0+T t9时刻后，变压器结束短路状态，时刻后，变压器结束短路状态，N1和和Ls共同承受正向电压（共同承受正向电压（Ui-UC1），由于变压器激磁电感），由于变压器激磁电感Lm远远大于大于Ls，Ls上的电压可忽略。上的电压可忽略。iLo 经电感经电感Lo。电容。电容C
13、o（包括负载）、（包括负载）、二极管二极管D1、二次绕组、二次绕组N2流通，流通，iD1=I Lo。不对称半桥的工作模态分析不对称半桥的工作模态分析t9t0+T 此时二次侧二极管整流电压为：此时二次侧二极管整流电压为：（t0+T）时刻，）时刻，S1关断，电路重新重复前述关断，电路重新重复前述t0时刻时刻后的过程。后的过程。小结：不对称半桥的基本关系小结：不对称半桥的基本关系稳态时当S1导通时，初级电压的正幅值：当S2导通时，初级电压的负幅值：不对称半桥的基本关系理想的变压器次级电压与初级理想的变压器次级电压与初级电压波形相似，只相差一个变电压波形相似，只相差一个变比比 （取（取N2=N3）如果
14、输出滤波电感Lo足够大（CCM模式），输出直流分量为：考虑到 ，上式表示为：不对称半桥的基本关系1.可见，输入电压一定是，输出可见，输入电压一定是，输出电压与占空比电压与占空比D成二次方关系。成二次方关系。因为平方项前是负号，抛物线因为平方项前是负号，抛物线的碗口朝下，最大值在的碗口朝下，最大值在D=0.5。2.因此，占空比最大调节范围为因此，占空比最大调节范围为00.5。如果设定。如果设定D在在00.5范围范围调节，当调节，当D超出超出0.5时，闭环调时，闭环调节由负反馈变为正反馈。节由负反馈变为正反馈。考虑到 ，上式表示为：输出电压与占空比的关系不对称半桥的基本关系反射到初级电流为直流分量
15、由于N2=N3，电感电流连续，次级线圈中平均电流为 ，而流过S1的电流为：流过S2的电流为：次级线圈N2和N3电流有效值：电路设计步骤因为一般使用MOSFET作为功率开关，电路工作频率一般选择在100KHZ以上。电路设计步骤如下：设计参数：输出电压：输出电压：输出功率输出功率 或输出电流或输出电流最大占空比：最大占空比：取决于电路的频率取决于电路的频率和输出电流。和输出电流。应当小于控制芯片应当小于控制芯片的极限占空比的极限占空比Dlim输入电压与变化范围：输入电压与变化范围：电路设计由选取的Dmax，确定变压器变比：注意：如果输出电压或输入电压较低，则上式注意：如果输出电压或输入电压较低，则
16、上式中整流器或功率管的压降，以及输入和输出电中整流器或功率管的压降，以及输入和输出电路中的所有压降均需考虑。路中的所有压降均需考虑。电路设计决定变压器线圈参数已经决定了最低电压Uimin下的最大占空比Dmax。初级电压U1=Ui（1-D）。根据工作频率f，选择磁芯材料。按允许单位体积损耗（例如自冷为100mW/cm3）选择磁感应B来计算线圈匝数。一般先计算最低电压对应的线圈匝数。电路设计输出滤波参数滤波电感：假定纹波电流I为输出电流的20%。当S1导通时：即：即：不对称半桥滤波电感比正激输出滤波电感小（不对称半桥滤波电感比正激输出滤波电感小（1-2D）倍）倍讨论讨论由于输出与输入是二次方关系，
17、调节特性对称由于输出与输入是二次方关系，调节特性对称于于0.5。最大占空比不宜接近。最大占空比不宜接近0.5.但不能太小，但不能太小，否则匝比小，初级峰值电流加大。否则匝比小，初级峰值电流加大。D如果接近如果接近0.5，加载时，无法通过增大占空比调节输出，加载时，无法通过增大占空比调节输出电压。为获得较好的动态特性，一般选择电压。为获得较好的动态特性，一般选择D=0.35较好。较好。讨论讨论稳态时电容稳态时电容C1上电压为上电压为DVi。在负载突变时，例如。在负载突变时，例如由空载突加到满载，电容电压不能突变，反馈将占由空载突加到满载，电容电压不能突变，反馈将占空比拉到最大，磁化最长，去磁不足
18、而引起变压器空比拉到最大，磁化最长，去磁不足而引起变压器饱和。这是应当在变压器设计和电路保护上予以注饱和。这是应当在变压器设计和电路保护上予以注意的。意的。开通软开关是由变压器漏感来实现的。漏感能量与开通软开关是由变压器漏感来实现的。漏感能量与负载电流及漏感大小有关。如果漏感小，轻载时很负载电流及漏感大小有关。如果漏感小，轻载时很难实现零电压开通。如果漏感太大，占空比丢失太难实现零电压开通。如果漏感太大，占空比丢失太大。一般保证在大。一般保证在1/3满载功率以上实现满载功率以上实现ZVS。讨论讨论输出滤波电感由右式决定：输出滤波电感由右式决定：可以看到可以看到D越接近越接近0.5，需要连续的电
19、感量越小。，需要连续的电感量越小。因此不对称半桥工作适合在输入是因此不对称半桥工作适合在输入是PFC预调节后，预调节后，输入范围较窄的变换器中。输入范围较窄的变换器中。讨论讨论由于不对称半桥变换器存在直流偏磁，功率变压器由于不对称半桥变换器存在直流偏磁，功率变压器磁芯带有气隙，或采用不对称匝比，获得最小的直磁芯带有气隙，或采用不对称匝比，获得最小的直流偏磁。流偏磁。可以使用有源箝位控制芯片，但应限制最大占空比可以使用有源箝位控制芯片，但应限制最大占空比在在0.5以下。或使用普通控制芯片，使用双路输出以下。或使用普通控制芯片，使用双路输出中的一路，同时用非门获得中的一路，同时用非门获得S2控制信号，并将前沿控制信号，并将前沿延迟获得死区。延迟获得死区。不对称半桥电路的特点不对称半桥电路的特点不存在半桥电路电容不平衡的问题；不存在半桥电路电容不平衡的问题；功率管电压应力小，结构紧凑，易于实现软功率管电压应力小，结构紧凑，易于实现软开关（开关（ZVS）；）；开关管互补导通，时间不等；开关管互补导通，时间不等；该拓扑适合于高频工作，并能获得高效率。该拓扑适合于高频工作，并能获得高效率。