一种新型软开关半桥DC/DC变流器的研究

摘 要：介绍了一种半桥变流器软开关的控制方法，实现了一个主开关的软开通，同时使得另一个主开关能在较低电压下开通分析了具体的控制电路以及主电路拓扑工作原理最后给出了相应的1V/30W实验电路模型,实验结果证明了前面的理论分析。 关键词：半桥变流器：零电压开关；同步整流 0 引言 半桥电路拓扑在中小功率开关电源中已经得到了广泛的应用从门极脉冲触发方式上分，半桥电路可分为对称半桥和不对称半桥。不对称半桥是通过两个互补的门极触发脉冲来控制桥臂上下两个开关管.在这种门极触发脉冲方式下，两个开关管之间几乎没有死区时间(dead-time)存在．所以．变压器原边 感和开关管输出结电容之间形成的Lc振荡就会削弱.而且这种很小的LC振荡能够实现两个开关管的零电压(ZVT)开通[1][2][3].但它只适合输入电压范围较窄的场合，而不适合输入电压范围较宽的场合[1][3]。对称半桥两开关管的门极触发波形则是两个脉宽相等且带有死区的PWM调制脉冲。对称半桥的优点是适合输入电压范围较宽的场合，缺点是两个主开关都工作在硬开关状态下,在高频情况下的开关损耗就会比较大。所以，它并不适合频率很高的场合，而且．变压器漏感和开关管结电容间在死区内的振荡也很明显，这就会带来振荡损耗．甚至可能造成较高的振荡尖峰从而损坏开关管。 本文介绍了一种新型的软开关半桥DC/DC变流器.它不需要外加任何其它器件，只需要通过改变开关管的触发脉冲的相位就可以实现普通硬开关半桥拓扑中的一个开关管的软开通．且减小了变压器原边漏感和开关管输出结电容之间的振荡，同时还可以使另一个MOS管在较低的电压下开通另外一个特点就是工作在这种开关方式下的半桥变流器具有适合宽范围输人电压的特性。 l PWM调制脉冲的实现 这种PWM调制脉冲与不对称半桥的不完全相同,两个开关管的门极触发脉冲之间有死区存在。具体的门极触发脉冲以及控制原理图如图1和图2所示.为了便于分析说明．这里将TL494作为PWM控制芯片。与普通的对称半桥不同的是，它不是直接将TL494的两路输出经自举芯片后送到原边的上F两个开关管进行驱动．而是将其一路输出经二极管后作为D触发器的输入．经触发器分频后再分成两支路．其中一支路输出经自举驱动芯片后驱动半桥电路的原边开关管，另一支路输出经反相器反相后驱动副边的同步整流管(如图2中vgs2和vsr1所示)。TL494的另一路输出(OUT2)经RCD电路后作为与非门的输入，它的输出分别经自举驱动芯片和反相器．分别去驱动原边另一个主开关管和副边另一个同步整流管(如图2中vgs1和vsr2所示)这里的RCD电路和与非门的作用是将TL494的输出0UT2作一个延时得到vgs1．以避免原边两主开关管的直通和实现开关管s1的软开通. 2 工作原理分析 主电路拓扑如图3(a)所示，输出整流级采用的是带中问抽头的同步整流结构.图2(b)给出了变流器一个工作周期的波形图新型软开关半桥变流器在一个周期中的工作模式如图4所示。 模式l[t0"t1] 如图4(a)所示，在t0时刻之前s2处于导通状态，在t0时刻，s2的门极脉冲消失．s2关断，由于变压器原边漏感的存在．在s于关断后,st未开通之前，漏感的储能对s2的输出结电容Co2进行充电，使vds2上升；同时,S1的输出结电容Co1处在放电状态．vds1下降。副边两个同步整流管的体二极管同时导通维持负载电流. 变压器副边没有功率输出，负载电流由输出电感Lo．来维持. 模式2[t1"t2] 如图4(b)所示.在t1时刻．S1的vds1下降到零点，此时触发S1，实现了S1的零电压开通。同时副边同步整流管sr1也受触发导通，S2和Sr2都处于关断状态.在这个期间内,负载能量由输入电容c1，经变压器变换后供给. 模式3[t2"t3] 如图4(C)所示。在t3时刻S1关断．变压器原边的工作模式正好和模式1中的相反，此时，Co1被充电,Co2放电，从而vds1上升．vds2下降.副边Sr1继续维持导通,Sr2的体二极管D2被迫导通进行续流。 模式4[t3"t4] 如图4(d)所示.在t3时刻Sr2受触发导通，副边两个同步整流管都处在导通状态，平分负载电流。而变压器原边此时就会形成两个振荡回路，它们分别由Lk,Co1,C1以及Lk,Co2,C2构成.具体波形见图3(b)所示。 模式5[t4"t5] 如图4(e)所示。在t4时刻S2开通，其中t4可取在大于t3的任何一时刻.它可以是在振荡的上升沿或下降沿，也可以是在振荡的最高点或是最低点，这主要取决于负载的大小。所以，调整负载可使S2在不同的vds2电压下降开通。此时Sr2也受触发导通,Sr1关断。 下一个工作模式就是模式1的情况，在这里不再重复叙述。 3 实验结果 实验主电路如图3(a)所示。控制电路如图2所示.主电路具体参数如表1所列．控制电路参数如表2所列。 实验波形图如图5所示，图5(a)是原边主开关管和副边同步整流管的门极驱动波形。轻载时．由于负载电流较小，所以反映到原边的电流也较小，存储在变压器漏感中的能量不足以实现S1的零电压开通．图5(b)是在输入电压Vin=36V，负载电流lo=15A时测得的上管S1的源漏极电压vds1以及vgs1板电压蹦波形，可以看出，在虚线区域内S1，是在零电压下受触发导通的，因此实现了它的零电压开通。图5(c)是在输入电压Vm=36V，负载电流Lo=15A时测得的下管S1的源漏极电压vds2和门极驱动电压vgs2波形．可以看出，在虚线区域内S2是在vds2=9V的时候受触发开通的，这样就实现了较低电压下开关管的开通．同样可以减小开通损耗。但随着负载的不同，开通时的vds2也会不同。 图6是在不同输入电压下测得的效率随负载变化的曲线图。轻载时．Vin=36V时的效率要比Vin=48V的效率高；随着负载的增大Vin=48V时的效率明显较高．且当负载电流Io=15A时，ηmax=86.8％。满载时的效率η=80.1％。 4 结语 本文介绍了一种即不同于对称半桥，也不同于不对称半桥的控制方法——移相占空比法。实验结果证明：在负载一定的情况下．通过将一个开关管的门极触发脉冲移相的的方法能够实现它的零电压开通，且使得另一个开关管亦能在较低的电压下开通。同时变压器原边的振荡也会减小一半，从而有利于提高变流器的效率。它即有不对称半桥的软开关特性，也有对称半桥的宽范围输入电压的特点。但由于变流器的输出是低压大电流，所以．变流器的效率得到了限制。