不对称半桥变换器的研究

摘要：介绍了一种利用互补的PWM控制的不对称半桥DC/DC变换器。分析了电路的稳态过程和开关的ZVS过程，同时对开关达到ZVS的条件进行了分析。实验结果表明了这种电路对提高效率的有效性。为了进一步改进电路，针对电路输出二极管的电压应力的不平衡，提出了一种副边绕组不相等的拓扑，并进行了分析。

关键词：不对称半桥；零电压开关；效率

1 引言

近年来，软开关技术得到了广泛的发展和应用，提出了不少高效率的电路拓扑，其中不对称半桥是一个比较典型的电路。

不对称半桥是一种适用于中低功率的DC/DC零电压开关（ZVS）变换器电路。该电路采用固定死区的互补PWM控制方式，不需要外加元件，充分利用电路本身的分布特性，通过变压器漏感和开关寄生电容的谐振，实现零电压开关。这种电路保持了PWM开关模式的低开关导通损耗，而且消除了开关的导通损耗，因此，可以得到很高的效率。

2 主电路的工作原理分析

2.1 电路的稳态分析

不对称半桥的主电路如图1所示。图1中包括两个互补控制的功率MOSFET，其中S₁的占空比为D，S₂的占空比为（1－D），D_S1和D_S2是开关的体二极管，C_S1和C_S2分别是开关的结电容。隔直电容C_b，作为开关S₂开通时的电源。包括漏感L_k，励磁电感L_m的中心抽头的变压器，原边匝数为N_p，副边匝数分别为N_s1和N_s2。半桥全波整流二级管D₁和D₂。输出滤波电感L，电容C_f和负载R_L。

图1 不对称半桥主电路图

电路的稳态工作原理为：

1）当S₁导通时，变压器原边承受正向电压，副边N_S1工作，二极管D₁导通，开关S₂，二极管D₂截止；

2）当S₂导通时，隔直电容C_b加在变压器的原边，副边N_S2工作，开关S₁，二极管D₁截止。

理想的工作波形见图2。其中n₁=N_p/N_S1，n₂=N_p/N_S2，且n₁=n₂=n。通过对电路的稳态分析，可以得到以下的一些公式。

图2 不对称半桥的理想波形

由于变压器的伏秒平衡，电压的直流分量都加在隔直电容C_b上

V_cb=DV_in （1）

从输出滤波电感的磁平衡，可推导出输出电压

V_o= （2）

2.2 开关的ZVS过程分析

下面分3个工作模式来分析开关S2的ZVS过程。理想的工作波形见图3。

图3 不对称半桥开关S2的ZVS过程的波形

1）开关模式1（t₀～t₁） 在t₀时刻，S₁关断，S₁的寄生电容C_S1被线性充电，S₂的寄生电容C_S2线性放电。变压器副边D₁续流。此阶段在t₁时刻v_A=V_cb结束。

2）开关模式2（t₁～t₂） t=t₁时，变压器原边电压变为负，电容C_S1、C_S2和漏感L_k发生串联谐振。

v_A(t)=V_cb－I_p1Z_nsinω_k(t－t₁) （3）

i_p(t)=I_p1cosω_k(t－t₁) （4）

式中：I_p1为t₁时的变压器原边电流；

Z_n为特征阻抗，Z_n=；

ω_k为谐振角频率ω_k=；

C=C_S1=C_S2。

由于负压加在L_k上，漏感电流I_p开始减小。副边为了保持输出电流I_o不变，整流二级管D₁和D₂一起导通，变压器副边等效短路，变压器原边电压全部加在漏感上。

3）开关模式3（t₂～t₄） 在t=t₂时，v_A=0时，S₂的体二极管D_S2开始导通，为S₂创造了零电压开通的条件。这时一个恒定的电压V_cb加在L_k上，变压器原边电流i_p线性下降，在t=t₃时，i_p过零，并反向增大，二极管D₁和D₂继续共同导通。

S₂必须在t₂～t₃之间导通，否则将失去零电压开通条件。所以要适当设计开关脉冲之间的死区时间（t_a－t₀）。

通过对不对称半桥开关S₂的开通瞬态分析可知，要使开关能够实现ZVS开通，必须满足以下两个条件。

（1）在S₂开通时，S₂两端的电压（即v_A）必须小于零且i_p仍为正向，也就是说，电路要有一定的负载电流，由式（3）可得

i_p1> （5）

从而得出特征阻抗要满足的条件为

Z_n> （6）

（2）两个开关脉冲之间要保证适当的死区时间，使得S₂在其电压过零时开通。也就是要满足t₂－t₀t_a－t₀t₃－t₀，其中

t₂－t₀=C＋arcsin （7）

t₃－t₀=(t₂－t₀)＋L_k （8）

S₁的零电压开通过程同S₂类似。当S₂关断，S₁准备开通时，i_p给C_S2充电，而C_S1放电。L_k，C_S1，C_S2组成串联谐振电路。当C_S1上的电压放到零时，S₁的体二极管D_S1开通，这时开通S1，就实现了S₁的ZVS开通。

3 实验结果

根据以上的分析，设计了一个频率为100kHz的电路。输入电压为40～60V，输出电压为12V，输出电流为6A。原边开关选用STP75NE75，D₁选用STP10H100CT，D₂选用STP30L60CT。功率变压器选用EER28骨架，N_p=10匝，N_S1=N_S2=6匝。实验所得的S₁、S₂的漏源极电压波形与漏极电流波形见图4。从图4中可以看出，S₁和S₂都实现了ZVS。

(b) V_in=60V

(a) V_in=40V

(d) V_in=60V

(c) V_in=40V

图4 在不同输入电压时的实验波形

4 不对称半桥的改进

对图1的稳态分析还可以得