不对称半桥变换器的研究

不对称半桥变换器的研究

摘要：介绍了一种利用互补的PWM控制的不对称半桥DC/DC变换器。分析了电路的稳态过程和开关的ZVS过程，同时对开关达到ZVS的条件进行了分析。实验结果表明了这种电路对提高效率的有效性。为了进一步改进电路，针对电路输出二极管的电压应力的不平衡，提出了一种副边绕组不相等的拓扑，并进行了分析。

关键词：不对称半桥；零电压开关；效率

1    引言

    近年来，软开关技术得到了广泛的发展和应用，提出了不少高效率的电路拓扑，其中不对称半桥是一个比较典型的电路。

    不对称半桥是一种适用于中低功率的DC/DC零电压开关（ZVS）变换器电路。该电路采用固定死区的互补PWM控制方式，不需要外加元件，充分利用电路本身的分布特性，通过变压器漏感和开关寄生电容的谐振，实现零电压开关。这种电路保持了PWM开关模式的低开关导通损耗，而且消除了开关的导通损耗，因此，可以得到很高的效率。

2    主电路的工作原理分析

2.1    电路的稳态分析

    不对称半桥的主电路如图1所示。图1中包括两个互补控制的功率MOSFET，其中S₁的占空比为D，S₂的占空比为（1－D），D_S1和D_S2是开关的体二极管，C_S1和C_S2分别是开关的结电容。隔直电容C_b，作为开关S₂开通时的电源。包括漏感L_k，励磁电感L_m的中心抽头的变压器，原边匝数为N_p，副边匝数分别为N_s1和N_s2。半桥全波整流二级管D₁和D₂。输出滤波电感L，电容C_f和负载R_L。

图1    不对称半桥主电路图

    电路的稳态工作原理为：

    1）当S₁导通时，变压器原边承受正向电压，副边N_S1工作，二极管D₁导通，开关S₂，二极管D₂截止；

    2）当S₂导通时，隔直电容C_b加在变压器的原边，副边N_S2工作，开关S₁，二极管D₁截止。

    理想的工作波形见图2。其中n₁=N_p/N_S1，n₂=N_p/N_S2，且n₁=n₂=n。通过对电路的稳态分析，可以得到以下的一些公式。

图2    不对称半桥的理想波形

    由于变压器的伏秒平衡，电压的直流分量都加在隔直电容C_b上

    V_cb=DV_in    （1）

    从输出滤波电感的磁平衡，可推导出输出电压

    V_o=    （2）

2.2    开关的ZVS过程分析

    下面分3个工作模式来分析开关S2的ZVS过程。理想的工作波形见图3。

图3    不对称半桥开关S2的ZVS过程的波形

    1）开关模式1（t₀～t₁）    在t₀时刻，S₁关断，S₁的寄生电容C_S1被线性充电，S₂的寄生电容C_S2线性放电。变压器副边D₁续流。此阶段在t₁时刻v_A=V_cb结束。

    2）开关模式2（t₁～t₂）    t=t₁时，变压器原边电压变为负，电容C_S1、C_S2和漏感L_k发生串联谐振。

    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为t₁时的变压器原边电流；

      Z_n为特征阻抗，Z_n=；

           ω_k为谐振角频率ω_k=；

      C=C_S1=C_S2。

    由于负压加在L_k上，漏感电流I_p开始减小。副边为了保持输出电流I_o不变，整流二级管D₁和D₂一起导通，变压器副边等效短路，变压器原边电压全部加在漏感上。

    3）开关模式3（t₂～t₄）    在t=t₂时，v_A=0时，S₂的体二极管D_S2开始导通，为S₂创造了零电压开通的条件。这时一个恒定的电压V_cb加在L_k上，变压器原边电流i_p线性下降，在t=t₃时，i_p过零，并反向增大，二极管D₁和D₂继续共同导通。

    S₂必须在t₂～t₃之间导通，否则将失去零电压开通条件。所以要适当设计开关脉冲之间的死区时间（t_a－t₀）。

    通过对不对称半桥开关S₂的开通瞬态分析可知，要使开关能够实现ZVS开通，必须满足以下两个条件。

    （1）在S₂开通时，S₂两端的电压（即v_A）必须小于零且i_p仍为正向，也就是说，电路要有一定的负载电流，由式（3）可得

    i_p1>    （5）

从而得出特征阻抗要满足的条件为

    Z_n>    （6）

    （2）两个开关脉冲之间要保证适当的死区时间，使得S₂在其电压过零时开通。也就是要满足t₂－t₀<t_a－t₀<t₃－t₀，其中

    t₂－t₀=C＋arcsin    （7）

    t₃－t₀=(t₂－t₀)＋L_k    （8）

    S₁的零电压开通过程同S₂类似。当S₂关断，S₁准备开通时，i_p给C_S2充电，而C_S1放电。L_k，C_S1，C_S2组成串联谐振电路。当C_S1上的电压放到零时，S₁的体二极管D_S1开通，这时开通S1，就实现了S₁的ZVS开通。

3    实验结果

    根据以上的分析，设计了一个频率为100kHz的电路。输入电压为40～60V，输出电压为12V，输出电流为6A。原边开关选用STP75NE75，D₁选用STP10H100CT，D₂选用STP30L60CT。功率变压器选用EER28骨架，N_p=10匝，N_S1=N_S2=6匝。实验所得的S₁、S₂的漏源极电压波形与漏极电流波形见图4。从图4中可以看出，S₁和S₂都实现了ZVS。

(b)    V_in=60V

(a)    V_in=40V

(d)    V_in=60V

(c)    V_in=40V

图4    在不同输入电压时的实验波形

4    不对称半桥的改进

    对图1的稳态分析还可以得出输出二级管关断时承受的反向电压

    V_D1=    （9）

    V_D2=    （10）

    如前所述,不对称半桥占空比的最大值是0.5。所以,从式（9）和式（10）可以得出，当占空比很小时，二极管D₂承受的反压就会很大。而且这种情况在输入电压范围宽时更加严重。

    如果采用副边绕组不相等的电路（即N_s2/N_s1大于1），则占空比就可以大于0.5，从而消除这种二极管电压应力不均的问题。这时不对称半桥的输出电压为

    V_o=    （11）

    下面具体推导如何根据已知条件求出Ns2/Ns1的值。

    令a=N_s2/N_s1    （12）

    则式（11）可变为

    N_s1=    （13）

    令占空比的变化范围为D₁～D₂，且D₁<0.5<D₂，也就是说，当输入电压为最大值V_inmax时，占空比为D₁，当输入电压为最小值时，占空比为D₂，即

    N_s1=    （14）

    N_s1=    （15）

由式(14)，式(15)可得

    =·    （16）

令f(D₂)=，并求这个函数的最大值，可以得出，在

    D₂=    （17）

时，函数f(D₂)取得最大值。显而易见，当占空比对称地分布在0.5左右时，可以得到最理想效果。可以得到

    D₁=    （18）

把式（17）和（18）代入式（16），就可以得到a的值了。

    以本文实验为例，来说明不对称绕组对二极管选用的好处。

    图5是输出电压为12V时输出二极管的电压应力图。从图5中可以看出，当N_s2/N_s1增加时，二极管D₁的电压应力会增大，而二极管D₂的电压应力会减小。当N_s2/N_s1=1时，2个二极管的电压应力范围约为25～50V。当N_s2/N_s1=3时，二极管的最大电压应力小于35V。

图5    输出二极管的电压应力

5    结语

    不对称半桥DC/DC变换器由于采用了互补的PWM控制，充分利用电路的特性，以谐振的方式达到开关的ZVS开通，从而消除了开关损耗，提高了电路的效率。

    同时，采用副边绕组的不对称解决了普通的不对称半桥电路输出二极管电压应力不均的问题。这样可以选用低电压的二极管，即节约了成本，还进一步提高了电路的效率。