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)樨摚娙?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=；