半桥拓扑及应用规范

半桥拓扑基础及应用规范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。

其发光原理与室内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 的规范要求。

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 规范要求。

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范围能实现，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：sinrms V D π==，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范围内软开关的。

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：Q1→Tr →C1→GND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：GND →Q2→Tr →C1→GNDQ2晶体管Gate 和Drain 的波形图Q2-GateQ2-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：Q2→Tr →C1→GND 。

Q2晶体管Gate 和Drain 的波形图Q2-GateQ2-Drain第三阶段: Q2=>On, 此时原边向次边传输能量，电流流向：GND →C1→Tr →Q2→GND （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：GND →C1→Tr → D Q1→PFCQ1晶体管Gate 和Drain 的波形图Q1-GateQ1-Drain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晶体管Gate 和Drain 的波形图Q1-GateQ1-Drain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，即保证续流时间内打开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。

根据这个等效电路进行仿真可以得到下面左图的增益曲线，其中频率”L”表示的原边隔直电容Cs与主电感Lm之间谐振产生的谐振点，通常这个频率点都非常低，低于10kHz,逆变器没有工作在这个频率点附近，所以计算中，我们可以忽略两个元器件产生的效应。

频率点”H”表示的是漏感”Llk,高压电容Cp和CCFL阻抗R产生的谐振点，这三个元器件值的选取在半桥谐振电路中是最重要的，它们综合作用，决定了开路电压，灯管电流，和工作频率。

针对变压器的漏感”Llk,高压电容Cp和CCFL阻抗R产生的谐振点我们进行分析，变压器的输出电压为Vin*N*Q，Vin表示变压器原边的rms值，可以看出当增益减小时，变压器的输出电压也会减小而从增益曲线可以看出，当CCFL没有被点燃，处于无穷大阻抗时产生，谐振点上有一个很大的增益将可以灯管点燃当负载，而当CCFL灯管的阻抗减小时，谐振电路的电压增益和谐振点都会减小，此时，可以保证CCFL灯管的正常工作。

3．2逆变器的等效电路在半逆变器架构中，包括了隔直电容Cs,原边漏感Ll1,原边主感Lm,匝比Np:Ns,次边漏感Ll2,屏的寄生电容Cpara和高压电容Cout，如下图所表示。

在工程设计中，需要对这个架构进行简化和等效，使其便于工程计算。

定义Co等于Cout和寄生电容之和，Neff为考虑实际原次边之间所存在较大的漏感后的匝比(0.8eff n n =)，在实际计算中，将原边的搁置电容、漏感和主感等效到二次侧后，可以得到等效电路：21eff l n L 在工程设计是一个非常小的值可以忽略不计，如前面所述的，2/o C n 和2M n L 产生的谐振点远低于逆变器的工作频率，也即是在工程设计中，2M n L 是一个非常大的值，在增益计算中可以忽略。

这样就得到了下图的等效电路。

将电路简化后，可以得到拐点频率为：0ω=0001I I P PZ L C C ωω===相对于这个拐点频率的加载品质因数为：000lamplamp L P lamp IR R Q C R L Z ωω===由等效电路可以得出输入阻抗为：2000111111lamplamp L p lamp pL R j R Q j C Z j L R j C Q ωωωωωωωωω⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎢⎥-+ ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦=+=⎛⎫++ ⎪⎝⎭0Z Z = 22001arctan 1L L Q Q ωωϕωω⎧⎫⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎪⎪⎢⎥=+-⎨⎬ ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎪⎪⎣⎦⎩⎭，cos S R Z ϕ=，sin S X Z ϕ=谐振频率r f 定义为当相位角为零时的频率，则可以得到2200110L L Q Q ωωωω⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎢⎥+-= ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦，也即是0r f f =1L Q ≥根据等效电路，得到电压传递函数为：2001111111lampplamp pj Vr Vr lamppL lamppR j C R j C M M e R j j C Q j L R j C ϕωωωωωωωωω+====⎛⎫⎛⎫-+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭++所以电压增益和相位角分别为：Vr M ==，0201arctan 1L Q ωωϕωω⎡⎤⎛⎫⎢⎥⎪⎢⎥⎝⎭=-⎢⎥⎛⎫⎢⎥-⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦所以可以得到增益最大为：()1Vr MAX M =，当 0L Q <≤()Vr MAX M =L Q ≥这样再根据上述第一小节中原边傅立叶分析的结果，可以得到输入和输出的传递函数为：()lamp VI VI Vr INV M M n M V===所以可以得到增益最大为：()VI MAX M =0L Q <≤()VI MAXM =L Q ≥3． 3 逆变变压器的设计实例基于上面的分析和结论，可以设计一个逆变变压器，首先，定义参数，在32寸AU 屏的设计中，使用隔离变压器，将PFC 的输出电压降为100V 的电压，然后通过逆变器进行了升压，所以定义逆变变压器的输入电压为100V根据屏的规格书可以的得到所要求的灯管电流lamp I 、工作电压lamp V 和灯管的工作频率s f 接着设计变压器的一次侧匝数，定义：min p N = 一次侧的最小匝数Vin = 谐振电路的输入电压 B ∆ = 磁芯密度 (Tesla)max T ∆ = MOS 的最大导通时间（us ）Ae = 磁芯的横截面积 (mm2)对于大部分的磁芯，其磁芯密度都为400mT ，所以可以得到在实际中将B ∆设计为200mT ，输入电压为隔离变压器输出电压100V ，这样可以得到变压器的一次侧匝数为：,min max,min IN p eV T N B A ⋅∆=∆⋅=119选定一个合适QL ，一般在最大占空比的软开关情况下，选QL=1，此时0r f f =，所以可以工作在ZVS 状态，由QL 可以计算出谐振频率点为：0f f ==63.64k由此根据输入电压与输出电压的传递函数，可以计算出变压器的匝比为：n ≥=8.1 同时由规格书可以得到CCFL 的等效阻抗为：lamp lamp lampV R I ==61.53k通过前面计算出来的谐振频率，并且假定灯管的并联寄生电容为10pF ，可以计算出输出的高压电容为：01525Lout p para lampQ C C C pF pF R ω=-=-=再根据前面分析的加载品质因数000lamplamp L P lamp IR R Q C R L Z ωω===，可以得出漏感为：0lampI LR L Q ω==153.90mH以上计算的为最少的初级匝数，但是为了获得比较大的漏感，通常需要加大二次侧的匝数，也就是说会在匝比不变的情况下加大初级和次级的匝数来获得较大的漏感。