不对称半桥变换器

Ugs1 Td1
t3 ~ t 4
Td2
t
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 组N1、电容C1、开关管S2、电感 Ls流通。 至t4时，iD1下降至零，iD2上升为 iLo，二极管D1关断、D2继续导通， 变压器短路状态结束。
C S1 DS1 C 1 q ip
Lo和Co 足够大。
电流 检测 电阻
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、滤波电感Ｌ0和电容C0足够大，工作于电 流连续模式； ３、隔离电容Ｃ1足够大，其上的电压在一个 周期内保持不变; 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。
p
Ugs1 Ugs2
Td1
t 6 ~ t7
Td2
t
t
Up
UB
D*UB
(1-D)*U B
Umn U0 ip
t
t
S1 Ui S2
q
ip N1
T N3
D2 iL0
m
Im+i L0* N2 /N1
L0 C0 R0 U 0
N2 D1 n
iD1 iD2
iD1
i L0* N3 /N1 - Im iD2 t 0 t1 t2 t 3 t4 t 5 t 6 t 7 t 8 t9
t
t
Ls
RS
C S2 DS2
t
不对称半桥的工作模态分析t6~t7
t6时刻后，CS2继续充电使 电压上升，CS1继续放电使电压 下降，绕组N1 和Ls开始承受正 向电压，i p开始正向上升（绝 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。
C S1 DS1 C1
C S1 DS1 C1
p
gs2 t
p
UB
D*UB
(1-D)*U B
Umn U0
q
t
S1 Ui S2
ip N1
T N3
D2 iL0
m
ip
L0 C0 R0 U 0
t
Im+i L0* N2 /N1 iD1 iD2 iD1 i L0* N3 /N1 - Im iD2 t 0 t1 t2 t 3 t4 t 5 t 6 t 7 t 8 t9
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 源自文库gs2
Td1
Td2
t
t
不对称半桥的工作模态分析：t0时刻前
等效 电容
开关管S1 的占空比 为D
S1 C S1 DS1 C1
p
隔直 电容
变压器 T，原边匝数为N1， 副边匝数分别为N2和N3。
q
ip N1
T N3
D2 iL0
m
整流二极 管D1和D2
L0 C0 R0 U 0
直流母 线电压
S２的占 空比为 （1-D）
Ui S2
N2 D1 n
Ls
RS
C S2 DS2
t
t
S1 Ui S2
i q p N1
T N3
D2 iL0
m
L0 C0 R0 U 0
t
N2 D1 n
Ls
t
RS
C S2 DS2
不对称半桥的工作模态分析t2时刻
Ugs1 T d1 t2 Td2
t
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。
C S1
Umn U0 ip Im+i L0* N2 /N1 iD1 iD2 iD1 i L0* N3 /N1 - Im iD2 t 0 t1 t2 t 3 t4 t 5 t 6 t 7 t 8 t9
t
t
S1 Ui
t
DS1 C1
p
q
ip N1
T N3
D2 iL0
m
L0 C0 R0 U 0
S2 Ls
t
N2 D1 n
t t
N2 D1 n
Ls
RS
C S2 DS2
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 受反向电压，电流ip开始减小。 为了保持iLo不变，iD1减小，iD2上 升，二极管D1、D2同时导通， Ｕmn=0，变压器二次等效短路，一次 绕组N1电压为零，反向电压由Ls单独 承受。
C S1 DS1 C1
p
Ugs1 Ugs2
T d1
t 0 ~ t1
Td2
t
t
Up
UB
D*UB
(1-D)*U B
Umn U0 ip Im+i L0* N2 /N1 iD1 iD2 iD1 i L0* N3 /N1 - Im iD2 t 0 t1 t2 t 3 t4 t 5 t 6 t 7 t 8 t9
t
t
S1 Ui S2
T N1
D2 N3 m N2 D1 n iL0 C0 L0 R0 U 0
Im+i L0* N2 /N1 iD1 iD2 iD1 i L0* N3 /N1 - Im iD2 t 0 t1 t2 t 3 t4 t 5 t 6 t 7 t 8 t9
t t
Ls
RS
C S2 DS2
不对称半桥的工作模态分析t5~t6
T d1 t 0前 Td2
t
Ugs1 Ugs2
t
Up
UB
D*UB
(1-D)*U B
S1导通，p点电压Up=Ui， 变压器T一次绕组电流i p经开 关管S1、电容C1、一次绕组 N1、电感Ls、检测电阻Rs流 通.D1导通，D2截止。
C S1
Umn U0 ip Im+i L0* N2 /N1 iD1 iD2 iD1 i L0* N3 /N1 - Im iD2 t 0 t1 t2 t 3 t4 t 5 t 6 t 7 t 8 t9
t
t
S1 Ui
t
DS1 C1
p
i q p N1
T
D2 N3 m N2 D1 n iL0 C0 L0 R0 U 0
S2 Ls
t
RS
CS2 DS2
不对称半桥的工作模态分析:t0~t1
T d1 t 0 ~ t1
Ugs1 Ugs2
Td2
t
t
Up
UB
D*UB
(1-D)*U B
滤波电感电流iLo经电感Lo、电容 Co、D1、N2流通，D1的电流 iD1=iLo； t0时刻，S1关断，ip转移流经电容 CS1和CS2，CS1开始充电、电压线 性上升，CS2开始放电、电压线性 下降，N1和Ls上电压下降，Umn下 降，iLo仍然经二极管D1流通。 稳态时，Ls和Rs上的电压很小。
t
Ls
RS
t
C S2 DS2
不对称半桥的工作模态分析t6~t7
Ugs1 Td1 t 6 ~ t7 Td2
t
变压器二次侧等效短路， 一次绕组N1电压为零，正 向电压由Ls单独承受。
t
t
Ls
RS
C S2 DS2
t
不对称半桥的工作模态分析t4~t5
Td1 Td2
t
Ugs1 Ugs2
t4 ~ t 5
t
Up
UB
D*UB
(1-D)*U B
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。
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。
t
t
t
开关管S2的驱动控制信 号Vgs2由零变为高电平， 由于S2的漏源电压为零， S2实现ZVS零电压开通。 S2开通后，ip经S2、DS2 流通。显然，ZVS时间 段（ t2~t3 ）长短主 要有iLo折射到一次的值、 Ls及变压器平均激磁电 流Im大小决定。
t
不对称半桥的工作模态分析t3~t4
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
C S1 DS1 C 1 q ip
p
S1 Ui S2
T N1
D2 N3 m N2 D1
n
iL0 C0
L0 R0 U 0
Ls
RS
C S2 DS2
不对称半桥电路的构成
i q p N1
T
二次侧二极管整流电压Umn：
U mn N2 N2 (U i U C1 ) (1 D)U i N1 N1
不对称半桥的工作模态分析：t1时刻
Ugs1 T d1 t 0 ~ t1 Td2
t
Ｕp=UCS2=UC1， U UN1=0，ULs=0， U Umn=0，ip正向最大值。
C S1
Umn U0 ip Im+i L0* N2 /N1 iD1 iD2 iD1 i L0* N3 /N1 - Im iD2 t 0 t1 t2 t 3 t4 t 5 t 6 t 7 t 8 t9
t
t
S1 Ui
t
DS1 C 1 q ip
p
T N1
D2 N3 m N2 D1 n iL0 C0 L0 R0 U 0
C S1 DS1 C1
p
Ugs2
t
Up
UB
D*UB
(1-D)*U B
Umn U0 ip
t
t
S1 Ui S2
q
ip N1
T N3
D2 iL0
m
Im+i L0* N2 /N1
L0 C0 R0 U 0
N2 D1 n
iD1 iD2
iD1
i L0* N3 /N1 - Im iD2 t 0 t1 t2 t 3 t4 t 5 t 6 t 7 t 8 t9
C S1 S1 Ui
p
t
DS1 C 1 q ip N1 Ls
T
D2 N3 m N2 D1 n iL0 C0 L0 R0 U 0
t
S2
t
RS
C S2 DS2
不对称半桥的工作模态分析t5~t6
Ugs1 Ugs2
t
Td1
t5 ~ t 6
Td2
t
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。
S2 Ls
t
RS
C S2 DS2
不对称半桥的工作模态分析t4~t5
Ugs1 Td1 t4 ~ t 5 Td2
t
此时二次侧二极管整流电 压为： U U N 3
mn C1
Ugs2
t
N1
Up
UB
D*UB
(1-D)*U B
D U i
C S1 DS1 C 1 q ip
p
N3 N1
Umn U0 ip
p
Ugs2 Up
t
UB
D*UB
(1-D)*U B
Umn U0
t
S1 Ui S2
T N1
D2 N3 m N2 D1 n iL0 C0 L0 R0 U 0
ip Im+i L0* N2 /N1 iD1 iD2 iD1 Im i L0* N3 /N1 - Im iD2 t 0 t1 t2 t 3 t4 t 5 t 6 t 7 t 8 t9
RS
C S2 DS2
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
(U i U C1 ) D U C1 (1 D) U C1 D U i
S1 Ui S2 Ls RS CS2 DS2
p
C S1 DS1 C1 D2 N3 m N2 D1 n iL0 C0 L0 R0 U 0
t
Ls
RS
t
C S2 DS2
C S1 DS1 C1
p
S1 Ui S2
i q p N1
T N3
D2 iL0
m
不对称半桥的工作模态分析t2~t3
L0 C0 R0 U 0
N2 D1 n
Ls
RS
C S2 DS2
Ugs1 Ugs2
Td1
t2 ~ t 3
Td2
t
t
Up
UB
D*UB
(1-D)*U B
Umn U0 ip Im+i L0* N2 /N1 iD1 iD2 iD1 i L0* N3 /N1 - Im iD2 t 0 t1 t2 t 3 t4 t 5 t 6 t 7 t 8 t9
C S1 DS1 C 1 q ip
p
Up
UB
D*UB
(1-D)*U B
Umn U0
t
S1 Ui S2
T N1
D2 N3 m N2 D1 n iL0 C0 L0 R0 U 0
ip Im+i L0* N2 /N1 iD1 iD2 iD1 i L0* N3 /N1 - Im iD2 t 0 t1 t2 t 3 t4 t 5 t 6 t 7 t 8 t9
Ugs1 Ugs2
Td1
t5 ~ t 6
Td2
t
t
Up
UB
D*UB
(1-D)*U B
Umn U0 ip Im+i L0* N2 /N1 iD1 iD2 iD1 i L0* N3 /N1 - Im iD2 t 0 t1 t2 t 3 t4 t 5 t 6 t 7 t 8 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。