非对称半桥资料

不对称半桥变换器
Asymmetric half bridge Converter AHB
引言
目前高频化已成为电力电子电路的主要特点，它 可以使变换器具有更高的功率密度、高可靠、低噪 声和快速响应能力，但由于电力电子开关器件的开 关损耗与开关频率成正比，频率越高，器件和电路 的损耗越大，变换器的效率也就越低。采用零电压 开关和零电流开关技术可以极大地减少变换器的开 关损耗。
Up Umn
UB
D*UB
t (1-D)*U B
t
U0
ip
t
Im+i L0* N2 /N1
iD1 iD1
iL0* N3/N1 - Im
t
iD2
iD2
t0 t1 t2 t3 t4
t5 t 6 t7 t8 t9
t
滤CiDo1波=、iL电Do；1感、电N2流流iL通o经，电D1感的L电o、流电容 tC性下降0时S上降，1和刻升，iLC，o，N仍S2S1，C和然1关SCL经2开断 Ss1二上开始，极电始放ip管压转充电D下移电、1降流流、电，通经电压U。电压线m容线n性下 稳态时，Ls和Rs上的电压很小。
t5 t 6 t7 t8 t9
t
t4时刻后，变压器短路状态结 束，绕组N1和Ls共同承受电压UC1。
由于变压器激磁电感Lm远大 于Ls，Ls上的电压可忽略。iLo经 电感Lo、电容Co、二极管D2、二 次绕组N3流通， iD2=iLo。
S1 Ui
S2
RS
C S1
DS1 C1
p
Ls C S2 DS2
D
iLo，二极管D1关断、D2继续导通，
变压器短路状态结束。
Umn
UB
D*UB
t
t
(1-D)*U
B
t
C S1
U0
S1
DS1 C1 q ip
D
T
2
ip
Im+iL0* N2 /N1
Im
t
Ui S2
RS
p
Ls C S2 DS2
N1
N 3
m
N2
iL0
L0
C0
R0 U0
iD1 iD2
D1 n
iL0* N3/N1 - Im iD1
体内 二极
管
Ls为一次侧串 联电感
不对称半桥AHB电路的工作原理
为了简化分析，作如下假设:
１、变压器激磁电感Ｌm足够大； ２ 流、 连滤 续波模电式感；Ｌ0和电容C0足够大，工作于电 ３ 周、 期隔 内离保电持容不Ｃ变1;足够大，其上的电压在一个 ４、开关管寄生电容为常量，不随电压变化; 5、所有开关管和二极管都是理想的。
iD2
t0 t1 t2 t3 t4
t5 t 6 t7 t8 t9
t t
不对称半桥的工作模态分析t4~t5
Ugs1
Td1
t4 ~ t 5 Td2
t
Ugs2
Up Umn
UB
D*UB
t
(1-D)*U
B
t
U0
ip
t
Im+i L0* N2 /N1
iD1 iD2
iD1
iL0* N3/N1 - Im iD2
t
t0 t1 t2 t3 t4
t0 t1 t2 t3 t4
t5 t 6 t7 t8 t9
t
不对称半桥的工作模态分析t3~t4
Ugs1
Td1 t3 ~ t 4
Td2
t3时刻后，Ls仍承受电压-VC1，ip
继续下降，使ip反向增加，ip经绕 Ugs2
组N1、电容C1、开关管S2、电感
Ls流通。
Up
至t4时，iD1下降至零，iD2上升为
t 5 ~ t 6 Td2
t
Ugs2
Up Umn
UB
D*UB
t (1-D)*U
B
t
U0
ip
t
Im+i L0* N2 /N1
iD1 iD1
iL0* N3/N1 - Im
t
iD2
iD2
t0 t1 t2 t3 t4
t5 t 6 t7 t8 t9
t
t5时刻，S2关断，ip转移 流经电容CS1和CS2， CS2开始充电，CS1开始 放电，电压线性下降， 绕组N1和Ls上反向电压 绝对值下降，Umn下降， iLo仍经D2流通。
S1 Ui
S2
RS
C S1
DS1 C1
p
Ls C S2 DS2
D
q ip T
2
N 3
m
N1
N2
D1 n
iL0
L0
C0
R0 U0
不对称半桥的工作模态分析:t0~t1
根据变压器伏秒平衡：
UC1：电容C1上电压
S1 Ui
S
(Ui UC1) D UC1(1 D)
2
UC1 D Ui
RS
C S1
t t
不对称半桥的工作模态分析t6~t7
Ugs1
Td1
t6 ~ t7 Td2
变压器二次侧等效短路， Ugs2
t
一次绕组N1电压为零，正 向电压由Ls单独承受。
Up
UB
D*UB
t
(1-D)*U
B
t
C S1
Umn
S1 Ui
S2
RS
DS1 C1
p
Ls C S2 DS2
D
q ip T
2
N 3
m
N1
N2
D1 n
t
不对称半桥的工作模态分析t6~t7
Ugs1
t6时刻后，CS2继续充电使 电压上升，CS1继续放电使电压 Ugs2 下降，绕组N1 和Ls开始承受正 向电压，i p开始正向上升（绝 Up 对值减小），为保持iLo不变，
iD2减小，iD1上升，二极管D1、
D2同时导通，U mn=0。
Umn
Td1
t6 ~ t7 Td2
Ugs2
流通。二极管D1、D2同时导通， iD1上升，iD2减小，Ls承受最大
Up
正向电压（Ui-UC1），ip继续正
向上升（绝对值减小），上升 Umn
斜率达到最大。
UB
D*UB
t
t
(1-D)*U
iL0* N3/N1 - Im iD2
t0 t1 t2 t3 t4
t5 t 6 t7 t8 t9
t
S1 Ui
t
S2
t
RS
DS1 C1
p
Ls
C S2
DS2
D
q ip T
2
N 3
m
N1
N2
D1 n
iL0
L0
C 0
R0 U0
不对称半桥的工作模态分析:t0~t1
Ugs1
Td1
t0 ~ t1
Td2
Ugs2
t
不对称半桥的原理时序分析
以输出滤波电感电流iLo连续为例。
驱动波形说明：
Ugs1、Ugs2分别是 开关管S1、S2的驱
动控制信号。
为了防止S1、S2出现共 同导通，设置死区时间
Td1、Td2。
说明：为了 分析方便死 区时间设置
偏长
Ugs1
Td1
Td2
t
Ugs2
t
不对称半桥的工作模态分析：t0时刻前
t
S1 Ui
S2
RS
DS1 C1
p
Ls C S2 DS2
D
q ip T
2
N 3
m
N1
N2
D1 n
iL0
L0
C 0
R0 U0
不对称半桥的工作模态分析t2时刻
Ugs1
Td1
t2
Td2
t2时刻，ＵCS1上升到Ｕp，UCS2 下降到零，i p经DS2流通。二极 管D1、D2维持同时导通，iD1减 小，iD2上升，Ls承受最大反向 电压-UC1，ip继续减小，下降斜 率达到最大，至t3时i p 为零。
S1 Ui
S2
RS
C S1
DS1 C1
p
Ls C S2 DS2
D
q ip T
2
N 3
m
N1
N2
D1 n
iL0
L0
C 0
R0 U0
t
Ugs2
Up Umn
UB
D*UB
t
(1-D)*UB
t
U0
ip
t
Im+i L0* N2 /N1
iD1 iD2
iD1
iL0* N3/N1 - Im iD2
t
t0 t1 t2 t3 t4
t 升，二极管D1、D2同时导通， Ｕmn=0，变压器二次等效短路，一次
Up
UB
D*UB
t 绕组N1电压为零，反向电压由Ls单独 承受。 (1-D)*UB
Umn
t
C S1
U0
ip
t
Im+i L0* N2 /N1
iD1 iD1
iL0* N3/N1 - Im
t
iD2
iD2
t0 t1 t2 t3 t4
t5 t 6 t7 t8 t9
iD2
RS
C S2 DS2
t0 t1 t2 t3 t4
t5 t 6 t7 t8 t9
t
不对称半桥的工作模态分析:t1~t2
t1时刻后，CS1继续充电，CS2继续 放电，变压器一次绕组N1和Ls开始承
Ugs1 Ugs2
Td1
t0 ~ t1
Td2
受反向电压，电流ip开始减小。 为了保持iLo不变，iD1减小，iD2上
q ip T
2
N 3
m
N1
N2
D1 n
iL0
L0
C0
R0 U0
不对称半桥的工作模态分析t4~t5
Ugs1
Td1
t4 ~ t 5 Td2
此时二次侧二极管整流电
压为： Umn
U C1
N3 N1

D
Ui

N3 N1
C S1
S1 Ui
S2
RS
DS1 C1
p
Ls C S2 DS2
D
q ip T
2
N 3
本讲座将介绍最近研制的600W的不对称 半桥（AHB）直流变换器，采用ZVS软开关技 术减少器件的开关损耗。
不对称半桥ABH的电路结构
S1 Ui
S2
RS
C S1
DS1 C1
p
Ls C S2 DS2
D
q ip T
2
N 3
m
N1
N2
D1 n
iL0
L0
C0
R0 U0
不对称半桥电路的构成
开关管S1 的占空比
为D
直流母 线电压
S２的占 空比为 （1-D）
等效 电容
隔直 变压器 T，原边匝数为N1， 电容 副边匝数分别为N2和N3。
S1 Ui
S2
RS
电流 检测 电阻
C S1
DS1 C1
p
Ls C S2 DS2
D
q ip T
2
N 3
m
N1
N2
D1 n
iL0
L0
C 0
R0 U0
整流二极 管D1和D2
Lo和Co 足够大。
t5 t 6 t7 t8 t9
t
C S1
S1 Ui
不对称半桥的工作模态分析t2~t3 DS1 C1 q ip
p
D
T
2
N 3
m
iL0
L0
S2
N1 N2
C0
R0 U0
Ls
RS
C S2 DS2
Ugs1
Td1
D1 n
t2 ~ t3
Td2
开关管S2的驱动控制信 号Vgs2由零变为高电平，
Ugs2
t
由于S2的漏源电压为零，
Ugs1
Td1
t 0前
Td2
S1导通，p点电压Up=Ui， 变压器T一次绕组电流i p经开
Ugs2
t 关管S1、电容C1、一次绕组
t N1、电感Ls、检测电阻Rs流
Up
UB
D*UB
(1-D)*UB 通.D1导通，D2截止。
Umn
t
C S1 U0
ip Im+i L0* N2 /N1
iD1 iD2
iD1
UB
D*UB
t
t
(1-D)*U
B
t
U0
C S1
ip
t
S1 Ui
S2
RS
DS1 C1
p
Ls C S2 DS2
D
q ip T
2
N 3
m
N1
N2
D1 n
iL0
L0
C 0
R0 U0
Im+i L0* N2 /N1
iD1 iD2
iD1
iL0* N3/N1 - Im iD2
t0 t1 t2 t3 t4
t5 t 6 t7 t8 t9
C S1
DS1 C1
p
Ls C S2 DS2
D
q ip T
2
N 3
m
N1
N2
D1 n
iL0
L0
C 0
R0 U0
Ugs2
t
Up Umn
UB
D*UB
t
(1-D)*U
B
t
U0
ip
t
Im+i L0* N2 /N1
iD1 iD1
iL0* N3/N1 - Im
t
iD2
iD2
t0 t1 t2 t3 t4
t5 t 6 t7 t8 t9
DS1 C1
p
Ls
C S2
DS2
D
q ip T
2
N 3
m
N1
N2
D1 n
iL0
L0
C0
R0 U0
二次侧二极管整流电压Umn：
Umn
(Ui

U C1
)

N2 N1
(1 D)U i
N2 N1
不对称半桥的工作模态分析：t1时刻
Ugs1
Td1
t0 ~ t1
Td2
Ｕp=UCS2=UC1，
Ugs2
UN1=0，ULs=0， Umn=0，ip正向最大值。Up
UB
D*UB
t
t
(1-D)*U
B
t
Umn
C S1
U0
S1 Ui
S2
DS1 C1
p
D
q ip T
2
N 3
m
N1
N2
iL0
L0
C 0
R0 U0
ip Im+i L0* N2 /N1
iD1 iD1
iL0* N3/N1 - Im
t t
Ls
D1 n
iD2
m
N1
N2
D1 n
iL0
L0
C0
R0 U0
Ugs2
tபைடு நூலகம்
Up Umn
UB
D*UB
t
(1-D)*U
B
t
U0
ip
t
Im+i L0* N2 /N1
iD1 iD1
iL0* N3/N1 - Im
t
iD2
iD2
t0 t1 t2 t3 t4
t5 t 6 t7 t8 t9
t
不对称半桥的工作模态分析t5~t6
Ugs1
Td1
iL0
L0
C0
R0 U0
ip Im+i L0* N2 /N1
iD1 iD2
iD1
iL0* N3/N1 - Im iD2
U0
t
t
t0 t1 t2 t3 t4
t5 t 6 t7 t8 t9
t
不对称半桥的工作模态分析t7~t8
Ugs1
Td1
t7 ~ t8 Td2
t7时刻，UCS2（UP）上升到Ui， UCS1下降到零，ip经二极管DS1
t
S2实现ZVS零电压开通。
Up
UB
D*UB
(1-D)*U
B
S2开通后，ip经S2、DS2
t
流通。显然，ZVS时间
Umn
U0
段（ t2~t3 ）长短主
ip Im+i L0* N2 /N1
iD1 iD1 iD2
iL0* N3/N1 - Im iD2
t
要有iLo折射到一次的值、
Ls及变压器平均激磁电
t
流Im大小决定。
C S1
S1 Ui
S2
RS
DS1 C1
p
Ls C S2 DS2
D
q ip T
2
N 3
m
N1
N2
D1 n
iL0
L0
C0
R0 U0
不对称半桥的工作模态分析t5~t6
Ugs1
Td1
t 5 ~ t 6 Td2
S1 Ui
S2
RS
t6时刻，该阶段结束， 此时UP（UCS2）=UC1， N1和Ls上反向电压下降 到零， Umn =0，ip为反 向最大值。