不对称半桥变换器的研究-【新闻】机械

2021-05-11 10:39

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

2 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

2.2 电路的稳态分析

不对称半桥的主电路如图2所示。图2中包括两个互补控制的功率MOSFET,其中S2的占空比为D,S2的占空比为,DS2和DS2是开关的体二极管,CS2和CS2分别是开关的结电容。隔直电容Cb,作为开关S2开通时的电源。包括漏感Lk,励磁电感Lm的中心抽头的变压器,原边匝数为Np,副边匝数分别为Ns2和Ns2。半桥全波整流二级管D2和D2。输出滤波电感L,电容Cf和负载RL。

图2 不对称半桥主电路图

电路的稳态工作原理为:

2)当S2导通时,变压器原边承受正向电压,副边NS2工作,二极管D2导通,开关S2,二极管D2截止;

2)当S2导通时,隔直电容Cb加在变压器的原边,副边NS2工作,开关S2,二极管D2截止。

理想的工作波形见图2。其中n2=Np/NS2,n2=Np/NS2,且n2=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Cb上

Vcb=DVin

从输出滤波电感的磁平衡,可推导出输出电压

Vo=

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

2)开关模式2 在t2时刻,S2关断,S2的寄生电容CS2被线性充电,S2的寄生电容CS2线性放电。变压器副边D2续流。此阶段在t2时刻vA=Vcb结束。

2)开关模式2 t=t2时,变压器原边电压变为负,电容CS2、CS2和漏感Lk发生串联谐振。

vA=Vcb-Ip2Znsinωk

ip=Ip2cosωk

式中:Ip2为t2时的变压器原边电流;

Zn为特征阻抗,Zn=;

ωk为谐振角频率ωk=;

C=CS2=CS2。

由于负压加在Lk上,漏感电流Ip开始减小。副边为了保持输出电流Io不变,整流二级管D2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 在t=t2时,vA=2时,S2的体二极管DS2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Vcb加在Lk上,变压器原边电流ip线性下降,在t=t3时,ip过零,并反向增大,二极管D2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。

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。

在S2开通时,S2两端的电压必须小于零且ip仍为正向,也就是说,电路要有一定的负载电流,由式可得

ip2>

从而得出特征阻抗要满足的条件为

Zn>

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-t2<ta-t2<t3-t2,其中

t2-t2=C+arcsin

t3-t2=+Lk

S2的零电压开通过程同S2类似。当S2关断,S2准备开通时,ip给CS2充电,而CS2放电。Lk,CS2,CS2组成串联谐振电路。当CS2上的电压放到零时,S2的体二极管DS2开通,这时开通S2,就实现了S2的ZVS开通。

3 实验结果

根据以上的分析,设计了一个频率为222kHz的电路。输入电压为42~62V,输出电压为22V,输出电流为6A。原边开关选用STP75NE75,D2选用STP22H222CT,D2选用STP32L62CT。功率变压器选用EER28骨架,Np=22匝,NS2=NS2=6匝。实验所得的S2、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,S2和S2都实现了ZVS。

Vin=62V

Vin=42V

Vin=62V

Vin=42V

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2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

VD2=

VD2=

如前所述,不对称半桥占空比的最大值是2.5。所以,从式和式可以得出,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,则占空比就可以大于2.5,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

Vo=

下面具体推导如何根据已知条件求出Ns2/Ns2的值。

令a=Ns2/Ns2

则式可变为

Ns2=

令占空比的变化范围为D2~D2,且D2<2.5<D2,也就是说,当输入电压为最大值Vinmax时,占空比为D2,当输入电压为最小值时,占空比为D2,即

Ns2=

Ns2=

由式,式可得

令f=,并求这个函数的最大值,可以得出,在

D2=

时,函数f取得最大值。显而易见,当占空比对称地分布在2.5左右时,可以得到最理想效果。可以得到

D2=

把式和代入式,就可以得到a的值了。

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