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。分析了電路的穩態過程和開關的ZVS過程，同時對開關達到ZVS的條件進行了分析。實驗結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。

關鍵詞：不對稱半橋；零電壓開關；效率

1??? 引言

??? 近年來，軟開關技術得到了廣泛的發展和應用，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（ZVS）變換器電路。該電路采用固定死區的互補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寄生電容的諧振，實現零電壓開關。這種電路保持了PWM開關模式的低開關導通損耗，而且消除了開關的導通損耗，因此，可以得到很高的效率。

2??? 主電路的工作原理分析

2.1??? 電路的穩態分析

??? 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是開關的體二極管，C_S1和C_S2分別是開關的結電容。隔直電容C_b，作為開關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，原邊匝數為N_p，副邊匝數分別為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

??? 電路的穩態工作原理為：

??? 1）當S₁導通時，變壓器原邊承受正向電壓，副邊N_S1工作，二極管D₁導通，開關S₂，二極管D₂截止；

??? 2）當S₂導通時，隔直電容C_b加在變壓器的原邊，副邊N_S2工作，開關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。通過對電路的穩態分析，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，可推導出輸出電壓

??? V_o=??? （2）

2.2??? 開關的ZVS過程分析

??? 下面分3個工作模式來分析開關S2的ZVS過程。理想的工作波形見圖3。

圖3??? 不對稱半橋開關S2的ZVS過程的波形

??? 1）開關模式1（t₀～t₁）??? 在t₀時刻，S₁關斷，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續流。此階段在t₁時刻v_A=V_cb結束。

??? 2）開關模式2（t₁～t₂）??? t=t₁時，變壓器原邊電壓變為負，電容C_S1、C_S2和漏感L_k發生串聯諧振。

??? 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=；

????? C=C_S1=C_S2。

??? 由于負壓加在L_k上，漏感電流I_p開始減小。副邊為了保持輸出電流I_o不變，整流二級管D₁和D₂一起導通，變壓器副邊等效短路，變壓器原邊電壓全部加在漏感上。

??? 3）開關模式3（t₂～t₄）??? 在t=t₂時，v_A=0時，S₂的體二極管D_S2開始導通，為S₂創造了零電壓開通的條件。這時一個恒定的電壓V_cb加在L_k上，變壓器原邊電流i_p線性下降，在t=t₃時，i_p過零，并反向增大，二極管D₁和D₂繼續共同導通。

??? S₂必須在t₂～t₃之間導通，否則將失去零電壓開通條件。所以要適當設計開關脈沖之間的死區時間（t_a－t₀）。

??? 通過對不對稱半橋開關S₂的開通瞬態分析可知，要使開關能夠實現ZVS開通，必須滿足以下兩個條件。

??? （1）在S₂開通時，S₂兩端的電壓（即v_A）必須小于零且i_p仍為正向，也就是說，電路要有一定的負載電流，由式（3）可得

??? i_p1>??? （5）

從而得出特征阻抗要滿足的條件為

??? Z_n>??? （6）

??? （2）兩個開關脈沖之間要保證適當的死區時間，使得S₂在其電壓過零時開通。也就是要滿足t₂－t₀<t_a－t₀<t₃－t₀，其中

??? t₂－t₀=C＋arcsin??? （7）

??? t₃－t₀=(t₂－t₀)＋L_k??? （8）

??? S₁的零電壓開通過程同S₂類似。當S₂關斷，S₁準備開通時，i_p給C_S2充電，而C_S1放電。L_k，C_S1，C_S2組成串聯諧振電路。當C_S1上的電壓放到零時，S₁的體二極管D_S1開通，這時開通S1，就實現了S₁的ZVS開通。

3??? 實驗結果

??? 根據以上的分析，設計了一個頻率為100kHz的電路。輸入電壓為40～60V，輸出電壓為12V，輸出電流為6A。原邊開關選用STP75NE75，D₁選用STP10H100CT，D₂選用STP30L60CT。功率變壓器選用EER28骨架，N_p=10匝，N_S1=N_S2=6匝。實驗所得的S₁、S₂的漏源極電壓波形與漏極電流波形見圖4。從圖4中可以看出，S₁和S₂都實現了ZVS。