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零電壓開關(guān)不對稱半橋DC/DC變換器

發(fā)布時間:2008/5/26 0:00:00 訪問次數(shù):547

        

    

    

    0 引言

    不對稱半橋dc/dc變換器具有軟開關(guān)工作、器件數(shù)量少以及控制簡單等優(yōu)點,因此,在不超過1000w的中小功率變換電路中得到廣泛的應(yīng)用。但是,在傳統(tǒng)的不對稱半橋電路拓撲中,只有在變壓器漏感和主開關(guān)的寄牛電容產(chǎn)生諧振時才能實現(xiàn)零電壓開關(guān),因此,為了實現(xiàn)軟開關(guān),諧振電感(即變壓器漏感)的值必須足夠大.而諧振電感與輸出整流二極管的寄生電容在換流過程中會發(fā)生嚴重諧振,產(chǎn)生電壓沖擊,甚至擊穿輸出二極管,而且大的漏感會導(dǎo)致大的占空比丟失。

    為避免輸出二極管誤工作和損壞,必須限制由變壓器漏感和二極管寄生參數(shù)諧振產(chǎn)生的過電壓。通常,在二極管兩端加箝位和吸收電路可以限制該過電壓,例如,經(jīng)常使用的方法是在二極管兩端加電阻-電容-二極管吸收電路(rcd電路)來抑止過電壓。但該電路最大的缺點是能量幾乎全部消耗在電阻上,這將明顯降低該變換器的效率。另外,電壓的波動會持續(xù)以較低的頻率出現(xiàn),而且很難消除。

    1 箝位二極管的作用

    一個很好的解決方案是在變壓器tr的原邊加箝位二極管,如圖1所示: 加箝位二極管的目的是在不改變變換器工作特性的前提下,消除輸出整流管換流時與外部電感諧振吋產(chǎn)生的過電壓,通過這兩個二極管將變壓器tr原邊電壓箝位在電容c3和c4的端電壓vc1和vc2。其過程為:如果開關(guān)s1導(dǎo)通占空比為d,則s,的占空比為1-d,當s1導(dǎo)通吋,變壓器原邊的電壓通過二極管dg1箝位為vc1,當s2導(dǎo)通時,變壓器原邊的電壓經(jīng)dg2箝位為-vc2,相應(yīng)地副邊的電位也箝位住了,輸出整流二極管(dr1和dr2)上也不會出現(xiàn)明顯的電壓沖擊。此時,輸入電壓源和電容通過箝位二極管吸收輸出整流管與外部電感諧振產(chǎn)生的能量,而通過箝位二極管的電流很小,而且它們只在輸出整流管換流時才起作用,因此,它們對整個變換器的工作過程影響很小。

    通過變壓器原邊的箝位和減小變壓器漏感,完全去掉輸出整流管端的rcd吸收電路是可能的。但是,變壓器的漏感不可能完全消除,只通過原邊的箝位有時不能抑制住輸出整流二極管端的過電壓,還必須在輸出整流二極管端并聯(lián)rcd吸收電路,此時rcd吸收電路只起輔助作用,它的各參數(shù)取值也與只使用只cd吸收電路時不同,通常取較小的電容和相對大的電阻為宜。

    這種變壓器原邊帶箝位電路的方法只適用于諧振電感電流不連續(xù)的工作狀態(tài)(dcm)。下面具體分析該電路實現(xiàn)零電壓開關(guān)的過程。

    2 工作過程分析

    為了簡化分析,我們做如下假定:

    1)開關(guān)管s1和s2看作理想開關(guān)分別與寄生電容(c1、c2)、反向二極管(d1、d2)并聯(lián),不考慮mosfet管反向漏電流;

    2)變壓器簡化為理想變壓器廾聯(lián)激磁電感(lm)、串聯(lián)漏感(l1k)的模型;

    3)電容c3和c4看作恒定的電壓源;

    4)輸出看作恒定的電流源,其值為io;

    5)考慮二極管d1、d2、dc1、dr2的換流效應(yīng);

    6)其他器件為理想器件,電路進入穩(wěn)態(tài);

    由圖1可知,當s1導(dǎo)通時,a點的電壓為de,而一個周期內(nèi)電感l(wèi)m、l1k及l(fā)r上的平均電壓為0,因此,電容c2上的電壓為de,而電容c1上的電壓為(1-d)e。輸出整流二極管dr1、dr2的導(dǎo)通時間是不等的,變壓器原邊的正向電流和反向電流并不相等,電感l(wèi)m可以吸收其差值以保證流過電容c3和c4的平均電流為零。

    該變換器的一個開關(guān)周期叮以分為12個工作階段,其工作波形如圖2所示,其中vgs1和vgs2分別是s1和s2的驅(qū)動波形。可以看到前半個周期和后半個周期里工作波形是對稱的,工作過程是類似的,所以,下面只分析半個周期的6個工作階段,分別如圖3所示的6個等效電路。

    

    1)階段1[t0~t1]在t0時刻s1導(dǎo)通,原邊電流流過s1,方向如圖3(a)所示,大小為額定負載電流in與激磁電流ilm的和io+ilm。a、b之間的電壓為(1-d)e,激磁電感l(wèi)m吸收能量,電容c3放電。此階段是功率傳送階段,在t1時刻s1關(guān)斷時,該過程結(jié)束。

    2)階段2[t1~t2] s1關(guān)斷電流在c1、c2間開始環(huán)流,電容c1線性充電,電容c2線性放電,因此,s1為零電壓關(guān)斷。a、b間電壓也開始線性下降,在t2時刻vab電壓為零時,該階段結(jié)束。

    3)階段3[t2~t3] vab電壓為零,輸出整流二極管短路(dr1、dr2換流),輸出端吸收激磁電流,電感l(wèi)r、l1k和電容c1、

        

    

    

    0 引言

    不對稱半橋dc/dc變換器具有軟開關(guān)工作、器件數(shù)量少以及控制簡單等優(yōu)點,因此,在不超過1000w的中小功率變換電路中得到廣泛的應(yīng)用。但是,在傳統(tǒng)的不對稱半橋電路拓撲中,只有在變壓器漏感和主開關(guān)的寄牛電容產(chǎn)生諧振時才能實現(xiàn)零電壓開關(guān),因此,為了實現(xiàn)軟開關(guān),諧振電感(即變壓器漏感)的值必須足夠大.而諧振電感與輸出整流二極管的寄生電容在換流過程中會發(fā)生嚴重諧振,產(chǎn)生電壓沖擊,甚至擊穿輸出二極管,而且大的漏感會導(dǎo)致大的占空比丟失。

    為避免輸出二極管誤工作和損壞,必須限制由變壓器漏感和二極管寄生參數(shù)諧振產(chǎn)生的過電壓。通常,在二極管兩端加箝位和吸收電路可以限制該過電壓,例如,經(jīng)常使用的方法是在二極管兩端加電阻-電容-二極管吸收電路(rcd電路)來抑止過電壓。但該電路最大的缺點是能量幾乎全部消耗在電阻上,這將明顯降低該變換器的效率。另外,電壓的波動會持續(xù)以較低的頻率出現(xiàn),而且很難消除。

    1 箝位二極管的作用

    一個很好的解決方案是在變壓器tr的原邊加箝位二極管,如圖1所示: 加箝位二極管的目的是在不改變變換器工作特性的前提下,消除輸出整流管換流時與外部電感諧振吋產(chǎn)生的過電壓,通過這兩個二極管將變壓器tr原邊電壓箝位在電容c3和c4的端電壓vc1和vc2。其過程為:如果開關(guān)s1導(dǎo)通占空比為d,則s,的占空比為1-d,當s1導(dǎo)通吋,變壓器原邊的電壓通過二極管dg1箝位為vc1,當s2導(dǎo)通時,變壓器原邊的電壓經(jīng)dg2箝位為-vc2,相應(yīng)地副邊的電位也箝位住了,輸出整流二極管(dr1和dr2)上也不會出現(xiàn)明顯的電壓沖擊。此時,輸入電壓源和電容通過箝位二極管吸收輸出整流管與外部電感諧振產(chǎn)生的能量,而通過箝位二極管的電流很小,而且它們只在輸出整流管換流時才起作用,因此,它們對整個變換器的工作過程影響很小。

    通過變壓器原邊的箝位和減小變壓器漏感,完全去掉輸出整流管端的rcd吸收電路是可能的。但是,變壓器的漏感不可能完全消除,只通過原邊的箝位有時不能抑制住輸出整流二極管端的過電壓,還必須在輸出整流二極管端并聯(lián)rcd吸收電路,此時rcd吸收電路只起輔助作用,它的各參數(shù)取值也與只使用只cd吸收電路時不同,通常取較小的電容和相對大的電阻為宜。

    這種變壓器原邊帶箝位電路的方法只適用于諧振電感電流不連續(xù)的工作狀態(tài)(dcm)。下面具體分析該電路實現(xiàn)零電壓開關(guān)的過程。

    2 工作過程分析

    為了簡化分析,我們做如下假定:

    1)開關(guān)管s1和s2看作理想開關(guān)分別與寄生電容(c1、c2)、反向二極管(d1、d2)并聯(lián),不考慮mosfet管反向漏電流;

    2)變壓器簡化為理想變壓器廾聯(lián)激磁電感(lm)、串聯(lián)漏感(l1k)的模型;

    3)電容c3和c4看作恒定的電壓源;

    4)輸出看作恒定的電流源,其值為io;

    5)考慮二極管d1、d2、dc1、dr2的換流效應(yīng);

    6)其他器件為理想器件,電路進入穩(wěn)態(tài);

    由圖1可知,當s1導(dǎo)通時,a點的電壓為de,而一個周期內(nèi)電感l(wèi)m、l1k及l(fā)r上的平均電壓為0,因此,電容c2上的電壓為de,而電容c1上的電壓為(1-d)e。輸出整流二極管dr1、dr2的導(dǎo)通時間是不等的,變壓器原邊的正向電流和反向電流并不相等,電感l(wèi)m可以吸收其差值以保證流過電容c3和c4的平均電流為零。

    該變換器的一個開關(guān)周期叮以分為12個工作階段,其工作波形如圖2所示,其中vgs1和vgs2分別是s1和s2的驅(qū)動波形?梢钥吹角鞍雮周期和后半個周期里工作波形是對稱的,工作過程是類似的,所以,下面只分析半個周期的6個工作階段,分別如圖3所示的6個等效電路。

    

    1)階段1[t0~t1]在t0時刻s1導(dǎo)通,原邊電流流過s1,方向如圖3(a)所示,大小為額定負載電流in與激磁電流ilm的和io+ilm。a、b之間的電壓為(1-d)e,激磁電感l(wèi)m吸收能量,電容c3放電。此階段是功率傳送階段,在t1時刻s1關(guān)斷時,該過程結(jié)束。

    2)階段2[t1~t2] s1關(guān)斷電流在c1、c2間開始環(huán)流,電容c1線性充電,電容c2線性放電,因此,s1為零電壓關(guān)斷。a、b間電壓也開始線性下降,在t2時刻vab電壓為零時,該階段結(jié)束。

    3)階段3[t2~t3] vab電壓為零,輸出整流二極管短路(dr1、dr2換流),輸出端吸收激磁電流,電感l(wèi)r、l1k和電容c1、

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