零電壓開關(guān)不對(duì)稱半橋DCDC變換器

1、零電壓開關(guān)不對(duì)稱半橋DC/DC變換器零電壓開關(guān)不對(duì)稱半橋DC/DC變換器類別：電源技術(shù)&nbspO引言&nbsp不對(duì)稱半橋DC/ DC變換器具有軟開關(guān)工作、器件數(shù)量少以及控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此，在不超過1000W的中小功率變換電路中得到廣泛的應(yīng)用。但是，在傳統(tǒng)的不對(duì)稱半橋電路拓?fù)?中，只有在變壓器漏感和主開關(guān)的寄牛電容產(chǎn)生諧振時(shí)才能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)， 因此，為了實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，諧振電感 （ 即變壓器漏感 ）的值必須足夠大而諧振電 感與輸出整流二極管的寄生電容在換流過程中會(huì)發(fā)生嚴(yán)重諧振，產(chǎn)生電壓沖 擊，甚至擊穿輸出二極管，而且大的漏感會(huì)導(dǎo)致大的占空比丟失。&nbsp為避免輸出二極

2、管誤工作和損壞，必須限制由變壓器漏感和二極管寄生參數(shù)諧 振產(chǎn)生的過電壓。通常，在二極管兩端加箝位和吸收電路可以限制該過電壓， 例如，經(jīng)常使用的方法是在二極管兩端加電阻 -電容-二極管吸收電路（RCD電路） 來抑止過電壓。但該電路最大的缺點(diǎn)是能量幾乎全部消耗在電阻上，這將明顯 降低該變換器的效率。另外，電壓的波動(dòng)會(huì)持續(xù)以較低的頻率出現(xiàn)，而且很難 消除。&n bspl箝位二極管的作用&n bsp 一個(gè)很好的解決方案是在變壓器 Tr 的原邊加箝位二極管，如圖 1 所示： 加箝位二極管的目的是在不改 變變換器工作特性的前提下，消除輸出整流管換流時(shí)與外部電感諧振吋產(chǎn)生的 過電壓，通過這兩

3、個(gè)二極管將變壓器 Tr原邊電壓箝位在電容C3和C4的端電壓 Vc1和Vc2。其過程為：如果開關(guān)S1導(dǎo)通占空比為D,則S,的占空比為1-D， 當(dāng)S1導(dǎo)通吋，變壓器原邊的電壓通過二極管 Dg1箝位為Vc1,當(dāng)S2導(dǎo)通時(shí)， 變壓器原邊的電壓經(jīng)Dg2箝位為-Vc2，相應(yīng)地副邊的電位也箝位住了，輸出整 流二極管（Dr1和Dr2）上也不會(huì)出現(xiàn)明顯的電壓沖擊。此時(shí)，輸入電壓源和電容 通過箝位二極管吸收輸出整流管與外部電感諧振產(chǎn)生的能量，而通過箝位二極 管的電流很小，而且它們只在輸出整流管換流時(shí)才起作用，因此，它們對(duì)整個(gè) 變換器的工作過程影響很小。&n bsp通過變壓器原邊的箝位和減小變壓器漏感，完全

4、去掉輸出整流管端的 RCD吸收電路是可能的。但是，變壓器的漏 感不可能完全消除，只通過原邊的箝位有時(shí)不能抑制住輸出整流二極管端的過 電壓，還必須在輸出整流二極管端并聯(lián) RCD吸收電路，此時(shí)RCD吸收電路只起 輔助作用，它的各參數(shù)取值也與只使用只 CD吸收電路時(shí)不同，通常取較小的電 容和相對(duì)大的電阻為宜。&n bsp這種變壓器原邊帶箝位電路的方法只適用于諧振電感電流不連續(xù)的工作狀態(tài)（DCM下面具體分析該電路實(shí)現(xiàn)零電壓開 關(guān)的過程。&n bsp2工作過程分析&n bsp為了簡(jiǎn)化分析，我們做如下假定：&nbspl）開關(guān)管S1和S2看作理想開關(guān)分別與寄生電容（C1、C2

5、）、反向二極管（D1、D2）并聯(lián)，不考慮MOSFE管反向漏電流；&nbsp2）變壓器簡(jiǎn)化為理想變壓器廾聯(lián)激磁電感（Lm）、串聯(lián)漏感（L1k）的模型；&nbsp3）電容C3和C4看作恒定的電壓源；&nbsp4）輸出看作恒定的電流源，其值為Io ；&nbsp5）考慮二極管D1、D2、Dc1、Dr2的換流效應(yīng)；&n bsp6)其他器件為理想器件，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)；&n bsp由圖1可知，當(dāng)S1導(dǎo)通時(shí)，A點(diǎn)的電壓為DE而一個(gè)周期內(nèi)電感Lm L1k及Lr 上的平均電壓為0,因此，電容C2上的電壓為DE而電容C1上的電壓為(1- D)E。輸出整流二極管Dr1、D

6、r2的導(dǎo)通時(shí)間是不等的，變壓器原邊的正向電流 和反向電流并不相等，電感Lm可以吸收其差值以保證流過電容 C3和C4的平均 電流為零。&nbsp該變換器的一個(gè)開關(guān)周期叮以分為12個(gè)工作階段，其工作波形如圖2所示，其中vGS1和vGS2分別是S1和S2的驅(qū)動(dòng)波形。可以看 到前半個(gè)周期和后半個(gè)周期里工作波形是對(duì)稱的，工作過程是類似的，所以， 下面只分析半個(gè)周期的 6 個(gè)工作階段，分別如圖 3 所示的 6 個(gè)等效電路。&nbspl)階段1t0t1在t0時(shí)刻S1導(dǎo)通，原邊電流流過S1，方向如圖3(a)所示，大小為額定負(fù)載電流In與激磁電流iLM的和 lo+iLM。A B之間的電壓為(1-

7、D)E，激磁電感Lm吸收能量，電容C3放電。此 階段是功率傳送階段，在t1時(shí)刻S1關(guān)斷時(shí)，該過程結(jié)束。&nbsp2)階段2t1t2 S1 關(guān)斷電流在C1、C2間開始環(huán)流，電容C1線性充電，電容C2線性 放電，因此，S1為零電壓關(guān)斷。A、B間電壓也開始線性下降，在t2時(shí)刻VAB 電壓為零時(shí)，該階段結(jié)束。&nbsp3)階段3t2t3 VAB 電壓為零，輸出整流二極管短路(Dr1、Dr2換流)，輸出端吸收激磁電流，電感 Lr、L1k和電容 C1、C2諧振以實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)化。&nbsp4)階段4t3t4 電感Lr、L1k殘留的能量通過二極管D2饋還電源，當(dāng)iLr為零時(shí)，S2導(dǎo)

8、通，此階段結(jié) 束，S2為零電壓開通。&nbsp5)階段5t4t5 在t4時(shí)刻S2導(dǎo)通，諧振電流iLr改變方向，Lr、L1k上的電壓為DE iLr反向線性增加為Io+iLM，此 階段結(jié)束。&nbsp6)階段6t5t6在階段5結(jié)束時(shí)，輸出整流二極管Dt2被關(guān)斷，變壓器原邊側(cè)的電壓迅速上升。由于電感Lr與箝位及整流二極管寄生電容的諧振，變壓器原邊側(cè)的電壓會(huì)高于穩(wěn)定值DE此時(shí)，二極管Dg2箝位點(diǎn)C的電位，諧振電容通過電感Lr釋放能量。&nbsp接下去的下半個(gè)周期的 6 個(gè)工作階段和上面所述的類似，不再詳述。其波形詳見圖 2。從已經(jīng) 分析的上半個(gè)周期的 6個(gè)工作階段以及類推的下半

9、個(gè)周期的 6個(gè)工作階段可以 得知：S1、S2都工作在零電壓開關(guān)狀態(tài)。每個(gè)開關(guān)的電壓應(yīng)力為E,通過箝位二極管Dg1、Dg2變壓器Tr原邊電壓UCB被箝位在-DE和(1-D)E之間，貝U Tr副 邊的電壓也得到箝位，輸出整流二極管 Dr1、Dr2上也不會(huì)出現(xiàn)明顯的電壓沖 擊。&n bsp3輸出特性分析&nbsp由上面工作過程的分析可知，箝位二極管 Dg1和Dg2的引入，并沒有明顯改變變換器的工 作特性。其原因有二：其一是通過該箝位二極管的電流很小，其二是它們只在 輸出整流二極管換流時(shí)才起作用，作用時(shí)間很短，因此，引入箝位二極管并沒 有改變變換器的工作特性。該變換器的直流增益q為&a

10、mp;nbsp式中：Vo'、Io '分別是輸出電壓、電流折算到原邊的值。&n bsp由式(1)可見，該變換器的直流增益是諧振電感 Lr上平均電壓降 V(=4LrfsIo ')和占 空比 D 的函數(shù)。輸出特性可由圖 4 表示。&nbsp4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果&nbsp為了驗(yàn)證以上的分析，制作了一臺(tái)直流輸入300450V,輸出54VZ 6A的不對(duì)稱半橋?qū)嶒?yàn)樣機(jī)，它的規(guī)格和主要參數(shù)為：&n bsp輸入電壓300450V;&nbsp輸出電壓50V;&nbsp輸出電流06A&nbsp 工作頻率 100kHz;&nbsp 主開關(guān)

11、 S1 和 S2IRF840;&nbsp箝位二極管 Dg1 和 Dg2 MUR860&nbsp整流二極管 Dr1 和 Dr2 30CP0150;&nbsp 諧振電感 Lr 40 卩 H;&nbsp 變壓器的參數(shù) n=50 : 20: 20, Lm=1.2mH Ls=162卩 Ho&nbsp 圖 5(a)是 S1 正常工作時(shí)的vGS1和vDS1波形，S2正常工作時(shí)的vGS2和vDS2波形和圖5(a)類 似，它們都是在電壓為零時(shí)開通。圖5(b)是S1 一個(gè)周期內(nèi)承受的電壓和流過的電流的波形圖，圖5(c)是S2一個(gè)周期內(nèi)承受的電壓和流過的電流的波形 圖。由這兩

12、圖可見S1和S2所有的換流都發(fā)生在電壓過零時(shí)。S2的暫態(tài)過程較 多，開通過程也更復(fù)雜些，所以圖 5(c)中有較多振蕩。&nbsp為了驗(yàn)證該電路拓?fù)涞墓ぷ魈匦裕瑢⒃搶?shí)驗(yàn)樣機(jī)與另一臺(tái)只在輸出整流二極管 Dr1 和 Dr2加RCD吸收電路的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了比較。RCD吸收電路的參數(shù)選擇為：電阻 為330kQ/3W 電容為4.7nF/ 1kV,二極管采用FRI07。圖6(a)是只采用RCD 吸收電路時(shí)輸出整流二極管 Dr1 兩端的電壓，圖 6(b) 是采用本文所述箝位電路 時(shí)輸出整流二極管Dr1兩端的電壓。不難看出，圖6(a)中Dr1端的電壓尖峰達(dá) 到了 250V以上，而采用箝位電路能明顯減少輸出整流管上的電壓尖峰，有利于 防止該整流管被擊穿。&nbsp圖7是該變換器在輸入電壓為350V時(shí)，不同負(fù)載下的效率曲線。該電路滿載時(shí)效率可達(dá)94%以上，而變壓器原邊不采用箝位電路，只在輸出二極管加 RCD吸收電路，效率最多為93.1 %o&n bsp5結(jié)語&n bsp本文介紹了一種變壓器原邊帶箝位電路的不對(duì)稱半橋直流變換器，對(duì)其主開關(guān)的開關(guān)過程進(jìn)行了詳細(xì)分析，制作了 一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并對(duì)該電路與只帶 RCD吸收電路的樣機(jī)進(jìn)行了比較。該電路的 特點(diǎn)如下：&nbsp1)主開關(guān)S1和S2在滿負(fù)載范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)；&