不对称半桥变换器的分析与设计_杨黎

接着计算一次侧匝数 Np, 依据安培定律与法拉第
定律 , ΔB =2500, 则
NP
=
VsD(1 -D) AeΔBfs· 10-8
=1.440704＊×2500.02＊5
×0.65 80K＊ 10-8
≈ 22Ts
变压器副边匝数 :
Ns1 +Ns2 =(n1 +n2 )· Np =0.369＊ 22 ≈ 8Ts 然后计算变压器电感值 L, 激磁电流变化量
合适的死区时间 , 还要让电路在 D =0.5附近工作 。
3 实例设计
下面以一台咖啡机电源为例 , 来说明主电路参数
的计算过程 。由于不对称半桥的前一级有 PFC, 所以输
入电压 Vs =400V。要求输出电压 Vo =24V, 输出电流
Io =5A, 输出电压纹波 ΔVo =50mV, 开关频率 fs =
比 , 有利于实现 ZVS;
②增大特征阻抗 , 即增加漏感 , 减小谐振电容 , 有
利于实现 ZVS;
③ 当 D <0.5时 , 开关管 S2 比 S1 容易实现 ZVS, 且 D越小 , 开关管 S2 越容易实现 ZVS, 而开关管 S1 越 难实现 ;当 D >0.5时 , 情况刚好相反 。所以 , 占空比 D 在 0.5附近 , 两个开关管都容易实现 ZVS。
图 1 不对称半桥主电路
下面分 8个工作模式来分析开关 S1 和 S2 的 ZVS
过程 , 工作波形如图 2所示 。其中 n1 和 n2 是变压器副
边与原边的匝数比 :n1
=
NS1 NP
,
n2
=NNSP2
(1)t0 ～ t1 (线性充放电模式 )
当 t=t0 时 , 开关管 S1 关断 , 变压器漏感电流流过
Zn
>
Vs(1 -D) IoD(n1 +n2 )
(3)
开关管 S2 的零电压条件 :
Zn
>Io(1
VsD -D)(n1
+n2 )
(4)
由式 (3)和 (4)可得 , 输入电压 、负载电流 、变压
器匝比 、特性阻抗和占空比等都会影响开关管的 ZVS
条件 : ①减小输出电压 , 增大负载电流 , 增大变压器匝
ΔIm =3Irms =1.059A, 则
L=
NpΔBAe· ΔIm
10-8
=22＊
250
0＊ 1.474＊ 1.0 59
10-8
=0.766mH
(2)输出滤波电感 Lo
假定滤波电感电流纹波系数 λ=0.2, 最小负载电
流 Idc =λ2Io =0.5A, 则
Lo
=0.0I5dVcoTs
=
0.05＊ 24 0.5＊ 80K
= 1
VO -D
=
37V
根据上述结 果, 实 验时选取超快恢复 二极管
U1 620。
4 实验结果
副边解耦 , Lr、C1 、C2 及 CC串联谐振 , 直到电容 C2 的电 压被放至 0V, Ds2 导通 , 为 S2 零电压开通创造条件 。
图 2 不对称半桥 ZVS波形
(3)t2 ～ t4 (电感放电模式 ) 当 t=t2 , vA变为零 , 开关管 S2 的反并联二极管 Ds2 开始导通 , 漏感电流线性下降 ;在 t=t3时 , 变压器原边 电流 ip过零并反向增大 , 二极管 D1 和 D2 继续共同导 通。 (4)t4 ～ t5 (能量传送模式 ) 当 t=t4 时 , 开关管 S2 完全导通 , 二极管 D1 关断 , 流过二极管 D2 的电流为 IO, 此时 VA =0;当 t=t5 时 , 开关管 S2 关断 , 该阶段结束 。 (5)t5 ～ t6 (线性充放电模式 ) 当 t=t5 时 , 开关管 S2 关断 , 电容 C1 放电 , C2 充 电 , 负载电流流过二极管 D2 ;在 t=t6 时刻 , C2 的电压 充电至 DVS, 该阶段结束 。 (6)t6 ～ t7 (谐振暂态模式 ) 当 t=t6 时 , 二极管 D1 和 D2 同时导通 , 变压器原 副边解耦 , Lr、C1 、C2 及 CC串联谐振 , 直到电容 C1 的电 压被放至 0V, Ds1 导通 , 为 S1 零电压开通创造条件 。 (7)t7 ～ t9 (电感放电模式 ) 当 t=t7 , vA 等于 VS, 开关管 S1 的反并联二极管 Ds1 开始导通 , 漏感电流线性上升 ;在 t=t8 时 , 变压器 原边电流 ip过零并正向增大 , 二极管 D1 和 D2 继续共 同导通 。 (8)t9 ～ t10 (能量传送模式 ) 当 t=t9 时 , 开关管 S1 完全导通 , 二极管 D2 关断 , 流过二极管 D1 的电流为 IO, 此时 VA =VS;当 t=t10 时 , 开关管 S1 关断 , 该阶段结束 。 2.2 实现软开关的条件 由于参数和运行条件的不同 , 电路的开关转换的 方式也不完全相同 , 有的能够实现 ZVS, 有的则不能 。 通过前面对开关管 S1和 S2的 ZVS过程分析可知 , 要实
现不对称半桥 DC/DC变换器的 ZVS, 需要从以下两方
面考虑 :
(1)一是要有适当的负载电流 , 公式 (1)和 (2)是 产生 ZVS的条件 :
Ip6
>
Vs -vc Zn
Biblioteka Baidu
Ipl
>
vc Zn
其中 , Ipl为 t1 时的变压器原边电流 ;
Ip6 为 t6 时的变压器原边电流 ;
(1) (2)
Zn为特性阻抗 , Zn = Lr/2C, C=C1 =C2 。 在稳态条件下化简 , 得到开关管 S1 的零 电压条 件:
AnalysisandDesignofAsymmetricalHalf-bridgeConverter
YANGLi, JIANGQi-long (ElectricalEngineeringSchoolofSouthwestJiaotongUniversity, Chengdu610031, China) Abstract:Anasymmetricalhalf-bridgeoperationinsoftswitchingmodecanreduceswitchingpowerlossandimprove
80kHz, 效率 η>0.85。
(1)变压器设计
在设计变压器时 , 首先选择磁芯 。变压器功率为
140W左右 , 工作频 率为 80kHz, 选择型 号为 PL-9
DS3319的铁氧体磁芯 , 部 分参数为 :电感系数 AL =
7450 ±nH/N2 , 磁芯截面积 Ae =147.4mm2 , 铁芯有效
《电气开关 》(2008.No.3)
21
文章编号 :1004 -289X(2008)03 -0021 -04
不对称半桥变换器的分析与设计
杨黎 , 蒋启龙
(西南交通大学电气工程学院 , 成都 610031)
摘 要 :不对称半桥工作在软开关模式可以减小开关损耗 , 提高电源的效率 。分析了不对称半桥的工作原理和实 现零电压开关的条件 , 以一台咖啡机电源为例来说明电源的设计过程 。 最后 , 实验结果证明电源在零电压开通 。 关键词 :不对称半桥 ;零电压开关 ;软开关 中图分类号 :TM564 文献标识码 :B
=
30μH
(3)输出滤波电容 Co
输出滤波电容的大小是由输出纹波电压决定的 ,
令纹波电压 ΔV=50mV, 则
Co
=λIo·
65 ×10-6 ΔV
=0.2
×5 ×65 0.0 5
×10-6
=1 300μF
考虑到 等效 内阻的 影响 , 取两 个 1000μF, 耐 压
35V的电解电容并联 。
(4)隔直电容 Cc 耦合电容 Cc和电感 Lo折算到原边的电感 n21 Lo组 成了一个串联谐振电路 , 一般谐振频率为开关频率的
2 不对称半桥软开关 过程分析
2.1 不对称半桥的工作原理 不对称半桥主电路如图 1 所示 , 一次侧包含两个
开关 S1 与 S2 , 变压器的漏感 Lr及隔直电容 Cc, 二次侧 为中心抽头的变压器加上整流二极管 D1 与 D2 及输出 电感 LO和电容 CO组成低通滤波电路 , 其中 S1 与 S2 的 控制信号互补 , 主电路的 ZVS是通过开关转换过程中 的谐振电容和变压器的漏感发生谐振实现的 。
=1.94 1A
Is2max =1Ir-msD+3·2Irms =1.072A
根据上述结果选择 MOSFET, 实验时选 11N60C3。
(6)输出整流二极管的选择
二极管可以根据方波电流和阻断电压来选择 。
方波电流 :ID1 =ID2 =Io =5A 二极管阻断电压 :
VD1max
=
VO D
=96V, VD2max
C1 和 C2 , 电容 C1 充电 , C2 放电 。负载电流流过二极管
D1 , 在 t=t1 时刻 , V2 =VC =DVS, 该阶段结束 。
(2)t1 ～ t2 (谐振暂态模式 ) 当 t=t1 时 , 二极管 D1 和 D2 同时导通 , 变压器原
22
《电气开关 》(2008.No.3)
1 /15 ～ 1/10, 则
Cc
= 4
π2
106 (0.1· fs)2 n21 Lo
=0.436μF
实验中选取 0.47μF, 耐压 450V的无极性薄膜电
容。
(5)功率 MOSFET的选择
功率 MOSFET可以根据它的开关电流和最大阻断
电压来选择 。
最大开关电流 :
Is1max
=IrDms
+3· Irms 2
Keywords:asymmetricalhalf-bridge;ZVS;softswitching
1 引言
不对称半 桥采用 固定死 区的 互补 PWM控制 方 式 。利用电路本身的特点 , 开关管的寄生电容和变压 器的漏感 , 在两个开关管的死区时间里 , 发生谐振 , 实 现零电压软开关 。在没有增加额外器件的条件下 , 就 实现了软开关 , 提高了变换器的效率 , 和半桥硬开关相 比 , 成本增加非常小 , 有利于提高其市场竞争力 。
VsD -D)(n1
+n2 )]
t3 -t0 =(t2 -t0 )+
Lr
[
I0 (1
-D)(n1 VsD
+n2 )] 2
-Z12n
(6)
从上面的表达式可以看出 , 即使确定了死区时间
δa和 δb, 由于运行的条件不同 , 将会出现 ZVS导通时间 的偏移 , 有可能使电路无法实现 ZVS。因此 , 除了选择
(2)桥臂上下两开关管的驱动脉冲之间要保证适 当的死区时间 。
要使开关管 S1 在电压过零时开通 , 需满足 :
t7 -t5 <δb <t8 -t5
t7
-t5
=
2CVs Io(n1 +n2 )
+
其中 : ω1karcsin[ IoZVnsD((1n-1 +D)n2 )]
(5)
t8 -t5 =(t7 -t5 )+
体积 Ve =7576mm3 , 等效磁路长度 le =51.4mm。
由于输入电压 400V, 输出电压 24V, 最大占空比
不可能达到 0.5, 现设定工作占空比 D =0.25, 考虑到
死区 , (1 -D)=0.65。
n1
+n2
=
Vo VsD(1 -D)
=400＊
24 0.25＊
0.65
=0.369
在进行软开关过程分析之前 , 先做如下假设 : (1)忽略变压器原边的漏感 , 磁化电流 Im不变 ; (2)忽略纹波 , 电容 Cc足够大 , 认为其上电压 Vc 不变 ;
(3)忽略输出二极管的正向压降和二极管的反向 恢复电流 ;
(4)滤波电感足够大 , 开关过程中 , 负载电流 Io总 是连续的 。
theefficiencyofpowersupply.Thispaperanalyzestheoperationprincipleoftheasymmetricalhalf-bridgeandtherequirementofrealizingZVSinoperation.Anexampleispresentedtoexplainthedesignprocedurefromcoffeepower.Finally, theexperimentalresultsareprovidedtoverifythepowerzerovoltageswitchingatturnon.
Lr [ I0VDs((n11 -+Dn)2 )] 2 -Z12n 要使开关管 S2 在电压过零时开通 , 需满足 : t2 -t0 <δa <t3 -t0
《电气开关 》(2008.No.3)
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t2 -t0
=
2CVs Io(n1 +n2 )
+
其中
:
ω1karcsin[ IoZn(1