20170510-不对称驱动半桥变换器的工作原理

不对称驱动半桥变换器的工作原理
普高（杭州）科技开发有限公司 张兴柱 博士
不对称半桥变换器的工作原理：
1
gs V 2
gs V
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图1是不对称驱动半桥变换器的原理图，与对称驱动半桥变换器的差别是，隔直电容Cc 与变压器原边串联，开关S1和S2采用互补驱动。

在有源开关S1导通、S2截止时，无源开关D1因正偏而导通，无源开关D2因反偏而截止，此时输入给电容Cc 充电、并经变压器和二极管D1给输出滤波电感储能（或激磁），和向负载提供能量，输入电压与电容Cc 上的电压差也同时给变压器原边的激磁电感激磁；当有源开关S1截止、S2导通时，无源开关D2因正偏导通，无源开关D1因反偏而截止，此时电容Cc 上的电压给变压器原边的激磁电感去磁，并经变压器和D2给输出滤波电感提供部分去磁能量；输出滤波电容主要用来限制输出电压上的开关频率纹波分量，使之远远小于稳态的直流输出电压。

在忽略输出电压、电容Cc 上电压的开关纹波及输出滤波电感电流、原边激磁电感电流的开关纹波后，我们可利用电感电压伏秒平衡定律、电容电流的安秒平衡定律，推得不对称驱动半桥变换器的稳态关系为（推导过程见方框内）：
N
V D D V g
o )1(2−=
g c
图2 稳态电压增益曲线
图2是不对称半桥变换器的归一化稳态电压增益曲线（蓝色），它与对称半桥变换器的归一化稳态电压增益曲线（红色）不同，是一种抛物线形状的降压关系。

在占空比等于0.5时，稳态电压增益为最大，当占空比小于0.5时，稳态电压增益随占空比增加而增加；当占空比大于0.5时，稳态电压增益随占空比增加而减小。

考虑到可稳定的闭环工作，其稳态电压增益的范围必须落在正斜率段，也即占空比必须小于0.5。

因为当占空比大于0.5时，只要输出电压一有减小的趋势，负反馈电路就会增加占空比，控制的结果会使输出电压进一步减小，然后再使占空比增加，最后导致输出电压变为零，所以稳态电压增益的负斜率段是无法稳定工作的。

在实际设计中，不对称半桥变换器的最大占空比一般取为0.45~0.48。

在对称半桥变换器中，由于对称驱动的原因，其最大占空比也必须小于0.5，所以这两种变换器的可工
作电压增益为图2中的实线部分。

当最大占空比小于0.5时，不对称半桥变换器同样可看作为一种降压变换器。

因此从这个意义上，还是可以将其看成Buck变换器的隔离版本。

在不对称半桥变换器中，两个原边开关的稳态电流应力、两个副边二极管的稳态电压及电流应力都是不对称的，这使得不对称半桥变换器的应用受到限制，一般宜用在输入电压范围不是太宽的场合。

另一个与对称半桥变换器所不同的是，其原边激磁电感有一个直流激磁，大小与输入电压有关，在输入高限/满载时为最大。

这要求不对称半桥变换器中的变压器，必须开有气隙，以避免磁饱和。

在不对称半桥变换器中，可以利用变压器原边的激磁电流，实现原边两个开关的零电压开通，这能减小高压输入时的开关损耗，提高变换器的效率。

不对称半桥的一个突出优点是其副边电压波形无死区，可以直接对MOSFET进行自驱动，因此不对称半桥是低压大电流输出开关电源的优选变换器之一。

另外它的动态小信号特性因为原边激磁电感和隔直电容的存在而变差，一般只能用在对动态要求不是很高的场合。

不对称驱动半桥变换器具有优越的稳态特性，但其动态小信号特性较差，目前主要用在中小功率开关电源产品中的第二级（前级为PFC）和输入电压范围不太宽的低压大电流DC-DC 中。