半桥拓扑与应用规范标准

半桥拓扑基础及应用规

摘要

本技术文档主要针对半桥逆变器工作原理进行分析。通过半桥逆变器开关分析得出结论，半桥逆变器可以有条件的实现软开关，从而提高效率。

描述

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M1的占空比为D，M2的占空比为（1－D），DS1和DS2是开关的体二极管，隔直电容C2，作为开关M2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Ns1和Ns2。

本文档针对下图的半桥逆变器展开分析，首先分析了逆变器架构以及半桥逆变器的优缺点，接着针对高效率的半桥逆变器工作原理进行分析，最后对变压器的设计，高压电容容值得选取进行了仿真，分析，并给出结论。

Figure-1 半桥逆变器架构示意图

1.半桥逆变器设计分析

因液晶屏本身没有发光功能，这就需要在液晶屏后加一个照明系统，该背光照明系统由发光部件、能使光线均匀照射在液晶表示面的导光板和驱动发光部件的电源构成。现在发光部件的主流为被称作冷阴极管的萤光管。其发光原理与室照明用的热阴管类似，但不需象热阴管那样先预热灯丝，它在较低温状态就能点亮，因此叫冷阴极管。但要驱动这种冷阴极管需要能输出1000~1500V交流电压的特殊电源。这种特殊电源称之为逆变器。

小尺寸CCFL（22寸以下）逆变器方案中，由于半桥架构设计简单，成本低，应用非常广泛，通常使用一个P+N的场效应管即可实现，其工作模式比较简单，下图为小尺寸方案中，半桥架构的波形和电路示意图。

从成本和效率的角度考量，大尺寸LCD-TV逆变器的输入逐渐改为由PFC（380V-400V)的输出直接输入，这就是我们所说的LIPS(LCD-TV Integrated Power Supply,液晶集成电源）方案。

Figure-4 LIPS电源和逆变器架构

大尺寸LIPS方案逆变器采用半桥或者全桥架构，半桥架构一般采用定频，MOSFET处在硬开关状态，这样会导致MOSFET上面很大的开关损耗，此外这种硬开关导致的EMI必须通过相应的手段去处理才能符

合EMC 的规要求。在成本上，因为逆变变压器漏感很大，储存的能量较大，而一般的MOSFET 体二极管反向截至的速度都比较慢，为了避免交叉导通。必须增加4颗超快恢复的二极管。

但是由于LIPS 方案中，逆变器的输入电压为PFC 的输出电压，通常设计其工作在最大占空比状态，即使用变压器的漏感，匝比来控制CCFL 工作电流。这样半桥架构同样可以实现MOSFET 的软开关状态，不仅可以获得不错效率，也可以顺利的通过EMC 规要求。这种方式正逐渐成为LIPS 方案中成本与性能兼顾的选择。

它的主要优点如下：

• 定频下也可以实现零电压导通

• 减少逆变器的EMI 问题，提高转换效率 • 减小散热器面积 • 提高电流正弦度

• 不需要在桥臂上增加超快二极管

值得注意的是这种架构由于最大能量传输由输入电压，漏感共同决定，需要当漏感Llk 储存能量续流完成前，打开开关管，这样两个MOSFET 工作才能在软开关状态，如下图分析。这样将导致半桥的软开关只能在一个很窄的围能实现，由于变压器漏感在量产时候会有20%以上的偏差，以及pfc 输入电压和液晶屏幕的微小差别，都可能导致在量产时候，逆变器的两颗MOSFET 没有工作在软开关状态，过大的开关损耗导致其损坏。

Figure-5 半桥逆变器工作时序

对于上述的波形进行傅立叶分析，详尽的推导过程可以在信号与分析中获得，可以得到正弦波基波分量为：

22

sin 2

m rms V D π=

=

，2

sin rms VI V M D Vin ππ

=

=

2.半桥逆变工作原理分析

半桥架构实现软开关应用于42寸AU屏和32寸AU屏的逆变器方案中，它是通过在二次侧对驱动的处理——在同一桥臂的两个MOSFET直接插入漏感续流时间，来实现在一个较窄的围软开关的。下面对这种工作原理的每一个状态逐一进行分析。

初始状态时Q1=>On;Q2=>OFF,原边向次边传输能量，电流方向：Q1àTràC1àGND

第一阶段:Q1=>Off; D(Q2)=>On;当Q1＝Off时，由于变压器一次侧存在自感电压，使得变压器一次侧的电流不能立即中断，故当Q1=Off时，Q2自身的二极管D被打开，此时电流方向：GNDàQ2àTràC1àGND

Q2晶体管Gate和Drain的波形图

Q2-Gate

Q2-Drain

第二阶段: Q2=>On,当Q2自身二极管被打开时，在二极管的Source和Drain之间电压大约为V DS＝－0.7V，这时Q2晶体管被打开，因此，Q2开关晶体管有零电压切换功能。此时电流方向：Q2àTràC1àGND。

Q2晶体管Gate和Drain的波形图

Q2-Gate

Q2-Drain

第三阶段: Q2=>On, 此时原边向次边传输能量，电流流向：GNDàC1àTràQ2àGND （因为C1存在，所以漏感续流后电流反向）

第四阶段：Q2=>Off;D Q1=>On,当Q2=Off【半桥只能做到零电压开启（其实还是有0.7V），不能做到零电流关断】时由于变压器一次侧存在自感电压，使得变压器一次侧的电流不能立即中断，故当Q2=Off时，Q1自身的二极管D被打开，电流流向：GNDàC1àTrà D Q1àPFC

Q1-Drain

Q1-Gate

Q1晶体管Gate和Drain的波形图

第五阶段：Q1=>On;, 开关晶体管Q1的Source和Drain之间的电压V DS=-0.7V,这时开关晶体管Q1被打开，因此，晶体管Q1具有零电压切换功能。

Q1-Drain

Q1-Gate

Q1晶体管Gate和Drain的波形图

通过对每一个阶段工作状态的分析，两个MOSFET均可以实现软开关，提高效率。但是如果漏感选择不恰当，或者占空比太小，在第一阶段续流和第四阶段漏感续流结束后才打开Q1和Q2，Q1和Q2将工作在硬开关状态，同样不能实现软开关，这是在设计中需要注意的问题。实际的工程设计中，通常会让半桥工作在最大占空比状态，即保证续流时间打开Q1和Q2。

3.变压器的设计与分析

3．1谐振电路的分析与仿真

LCD-TV逆变器是通过变压器的漏感、谐振电容与CCFL灯管的阻抗共同构成一个LCR二阶电路对方波进行滤波来产生一个近似的正弦波的。为了计算变压器的参数，对逆变器架构进行了简化，下图是这个电路的简化过程。