不對(duì)稱半橋變換器

不對(duì)稱半橋變換器演示文稿目前一頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)優(yōu)選不對(duì)稱半橋變換器目前二頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)引言

目前高頻化已成為電力電子電路的主要特點(diǎn)，它可以使變換器具有更高的功率密度、高可靠、低噪聲和快速響應(yīng)能力，但由于電力電子開關(guān)器件的開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比，頻率越高，器件和電路的損耗越大，變換器的效率也就越低。采用零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)技術(shù)可以極大地減少變換器的開關(guān)損耗。本講座將介紹最近研制的600W的不對(duì)稱半橋（AHB）直流變換器，采用ZVS軟開關(guān)技術(shù)減少器件的開關(guān)損耗。目前三頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋ABH的電路結(jié)構(gòu)目前四頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋電路的構(gòu)成開關(guān)管S1的占空比為DS２的占空比為（1-D）直流母線電壓Ls為一次側(cè)串聯(lián)電感電流檢測(cè)電阻隔直電容變壓器T，原邊匝數(shù)為N1，副邊匝數(shù)分別為N2和N3。Lo和Co足夠大。整流二極管D1和D2體內(nèi)二極管等效電容目前五頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋AHB電路的工作原理１、變壓器激磁電感Ｌm足夠大；２、濾波電感Ｌ0和電容C0足夠大，工作于電流連續(xù)模式；３、隔離電容Ｃ1足夠大，其上的電壓在一個(gè)周期內(nèi)保持不變;４、開關(guān)管寄生電容為常量，不隨電壓變化;5、所有開關(guān)管和二極管都是理想的。為了簡(jiǎn)化分析，作如下假設(shè):目前六頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋的原理時(shí)序分析以輸出濾波電感電流iLo連續(xù)為例。驅(qū)動(dòng)波形說(shuō)明：為了防止S1、S2出現(xiàn)共同導(dǎo)通，設(shè)置死區(qū)時(shí)間Td1、Td2。Ugs1、Ugs2分別是開關(guān)管S1、S2的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。說(shuō)明：為了分析方便死區(qū)時(shí)間設(shè)置偏長(zhǎng)目前七頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋的工作模態(tài)分析：t0時(shí)刻前S1導(dǎo)通，p點(diǎn)電壓Up=Ui，變壓器T一次繞組電流ip經(jīng)開關(guān)管S1、電容C1、一次繞組N1、電感Ls、檢測(cè)電阻Rs流通.D1導(dǎo)通，D2截止。目前八頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋的工作模態(tài)分析:t0~t1濾波電感電流iLo經(jīng)電感Lo、電容Co、D1、N2流通，D1的電流iD1=iLo；t0時(shí)刻，S1關(guān)斷，ip轉(zhuǎn)移流經(jīng)電容CS1和CS2，CS1開始充電、電壓線性上升，CS2開始放電、電壓線性下降，N1和Ls上電壓下降，Umn下降，iLo仍然經(jīng)二極管D1流通。穩(wěn)態(tài)時(shí)，Ls和Rs上的電壓很小。目前九頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋的工作模態(tài)分析:t0~t1UC1：電容C1上電壓二次側(cè)二極管整流電壓Umn：根據(jù)變壓器伏秒平衡：目前十頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋的工作模態(tài)分析：t1時(shí)刻Ｕp=UCS2=UC1，UN1=0，ULs=0，Umn=0，ip正向最大值。目前十一頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋的工作模態(tài)分析:t1~t2t1時(shí)刻后，CS1繼續(xù)充電，CS2繼續(xù)放電，變壓器一次繞組N1和Ls開始承受反向電壓，電流ip開始減小。為了保持iLo不變，iD1減小，iD2上升，二極管D1、D2同時(shí)導(dǎo)通，Ｕmn=0，變壓器二次等效短路，一次繞組N1電壓為零，反向電壓由Ls單獨(dú)承受。目前十二頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋的工作模態(tài)分析t2時(shí)刻t2時(shí)刻，ＵCS1上升到Ｕp，UCS2下降到零，ip經(jīng)DS2流通。二極管D1、D2維持同時(shí)導(dǎo)通，iD1減小，iD2上升，Ls承受最大反向電壓-UC1，ip繼續(xù)減小，下降斜率達(dá)到最大，至t3時(shí)ip為零。目前十三頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋的工作模態(tài)分析t2~t3開關(guān)管S2的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)Vgs2由零變?yōu)楦唠娖?，由于S2的漏源電壓為零，S2實(shí)現(xiàn)ZVS零電壓開通。S2開通后，ip經(jīng)S2、DS2流通。顯然，ZVS時(shí)間段（t2~t3

）長(zhǎng)短主要有iLo折射到一次的值、Ls及變壓器平均激磁電流Im大小決定。目前十四頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋的工作模態(tài)分析t3~t4t3時(shí)刻后，Ls仍承受電壓-VC1，ip繼續(xù)下降，使ip反向增加，ip經(jīng)繞組N1、電容C1、開關(guān)管S2、電感Ls流通。至t4時(shí)，iD1下降至零，iD2上升為iLo，二極管D1關(guān)斷、D2繼續(xù)導(dǎo)通，變壓器短路狀態(tài)結(jié)束。目前十五頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋的工作模態(tài)分析t4~t5t4時(shí)刻后，變壓器短路狀態(tài)結(jié)束，繞組N1和Ls共同承受電壓-UC1。由于變壓器激磁電感Lm遠(yuǎn)大于Ls，Ls上的電壓可忽略。iLo經(jīng)電感Lo、電容Co、二極管D2、二次繞組N3流通，iD2=iLo。目前十六頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋的工作模態(tài)分析t4~t5此時(shí)二次側(cè)二極管整流電壓為：目前十七頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋的工作模態(tài)分析t5~t6t5時(shí)刻，S2關(guān)斷，ip轉(zhuǎn)移流經(jīng)電容CS1和CS2，CS2開始充電，CS1開始放電，電壓線性下降，繞組N1和Ls上反向電壓絕對(duì)值下降，Umn下降，iLo仍經(jīng)D2流通。目前十八頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋的工作模態(tài)分析t5~t6t6時(shí)刻，該階段結(jié)束，此時(shí)UP（UCS2）=UC1，N1和Ls上反向電壓下降到零，Umn

=0，ip為反向最大值。目前十九頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋的工作模態(tài)分析t6~t7t6時(shí)刻后，CS2繼續(xù)充電使電壓上升，CS1繼續(xù)放電使電壓下降，繞組N1

和Ls開始承受正向電壓，ip開始正向上升（絕對(duì)值減?。瑸楸３謎Lo不變，iD2減小，iD1上升，二極管D1、D2同時(shí)導(dǎo)通，Umn=0。目前二十頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋的工作模態(tài)分析t6~t7變壓器二次側(cè)等效短路，一次繞組N1電壓為零，正向電壓由Ls單獨(dú)承受。目前二十一頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋的工作模態(tài)分析t7~t8t7時(shí)刻，UCS2（UP）上升到Ui，UCS1下降到零，ip經(jīng)二極管DS1流通。二極管D1、D2同時(shí)導(dǎo)通，iD1上升，iD2減小，Ls承受最大正向電壓（Ui-UC1），ip繼續(xù)正向上升（絕對(duì)值減小），上升斜率達(dá)到最大。目前二十二頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋的工作模態(tài)分析t7~t8t8時(shí)刻，ip為零。在t7~t8階段，開關(guān)管S1的控制信號(hào)Vgs1由零變?yōu)楦唠娖?，由于S1漏源電壓為零，S1實(shí)現(xiàn)ZVS零電壓開通。S1開通后，ip經(jīng)S1流通。目前二十三頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋的工作模態(tài)分析t8~t9t8時(shí)刻后，Ls繼續(xù)承受電壓（Ui-UC1），ip繼續(xù)正向上升，使ip正向增加，ip經(jīng)開關(guān)S1、電容C1、繞組N1、電感Ls、檢測(cè)電阻Rs流通；至t9時(shí)，iD2減小到零，iD1上升到iLo，二極管D2關(guān)斷，D1繼續(xù)導(dǎo)通，變壓器結(jié)束短路狀態(tài)。目前二十四頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋的工作模態(tài)分析t9~t0+T

t9時(shí)刻后，變壓器結(jié)束短路狀態(tài)，N1和Ls共同承受正向電壓（Ui-UC1），由于變壓器激磁電感Lm遠(yuǎn)大于Ls，Ls上的電壓可忽略。iLo經(jīng)電感Lo。電容Co（包括負(fù)載）、二極管D1、二次繞組N2流通，iD1=ILo。目前二十五頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋的工作模態(tài)分析t9~t0+T

此時(shí)二次側(cè)二極管整流電壓為：（t0+T）時(shí)刻，S1關(guān)斷，電路重新重復(fù)前述t0時(shí)刻后的過(guò)程。目前二十六頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)小結(jié)：不對(duì)稱半橋的基本關(guān)系穩(wěn)態(tài)時(shí)當(dāng)S1導(dǎo)通時(shí)，初級(jí)電壓的正幅值：當(dāng)S2導(dǎo)通時(shí)，初級(jí)電壓的負(fù)幅值：目前二十七頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋的基本關(guān)系理想的變壓器次級(jí)電壓與初級(jí)電壓波形相似，只相差一個(gè)變比（取N2=N3）如果輸出濾波電感Lo足夠大（CCM模式），輸出直流分量為：考慮到，上式表示為：目前二十八頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋的基本關(guān)系1.可見，輸入電壓一定是，輸出電壓與占空比D成二次方關(guān)系。因?yàn)槠椒巾?xiàng)前是負(fù)號(hào)，拋物線的碗口朝下，最大值在D=0.5。2.因此，占空比最大調(diào)節(jié)范圍為0~0.5。如果設(shè)定D在0~0.5范圍調(diào)節(jié)，當(dāng)D超出0.5時(shí)，閉環(huán)調(diào)節(jié)由負(fù)反饋?zhàn)優(yōu)檎答?。考慮到，上式表示為：輸出電壓與占空比的關(guān)系目前二十九頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)不對(duì)稱半橋的基本關(guān)系反射到初級(jí)電流為直流分量由于N2=N3，電感電流連續(xù)，次級(jí)線圈中平均電流為，而流過(guò)S1的電流為：流過(guò)S2的電流為：次級(jí)線圈N2和N3電流有效值：目前三十頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)電路設(shè)計(jì)步驟因?yàn)橐话闶褂肕OSFET作為功率開關(guān)，電路工作頻率一般選擇在100KHZ以上。電路設(shè)計(jì)步驟如下：設(shè)計(jì)參數(shù)：輸出電壓：輸出功率或輸出電流最大占空比：取決于電路的頻率和輸出電流。應(yīng)當(dāng)小于控制芯片的極限占空比Dlim輸入電壓與變化范圍：目前三十一頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)電路設(shè)計(jì)由選取的Dmax，確定變壓器變比：注意：如果輸出電壓或輸入電壓較低，則上式中整流器或功率管的壓降，以及輸入和輸出電路中的所有壓降均需考慮。目前三十二頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)電路設(shè)計(jì)決定變壓器線圈參數(shù)已經(jīng)決定了最低電壓Uimin下的最大占空比Dmax。初級(jí)電壓U1=Ui（1-D）。根據(jù)工作頻率f，選擇磁芯材料。按允許單位體積損耗（例如自冷為100mW/cm3）選擇磁感應(yīng)B來(lái)計(jì)算線圈匝數(shù)。一般先計(jì)算最低電壓對(duì)應(yīng)的線圈匝數(shù)。目前三十三頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)電路設(shè)計(jì)輸出濾波參數(shù)濾波電感：假定紋波電流△I為輸出電流的20%。當(dāng)S1導(dǎo)通時(shí)：即：不對(duì)稱半橋?yàn)V波電感比正激輸出濾波電感?。?-2D）倍目前三十四頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)討論由于輸出與輸入是二次方關(guān)系，調(diào)節(jié)特性對(duì)稱于0.5。最大占空比不宜接近0.5.但不能太小，否則匝比小，初級(jí)峰值電流加大。D如果接近0.5，加載時(shí)，無(wú)法通過(guò)增大占空比調(diào)節(jié)輸出電壓。為獲得較好的動(dòng)態(tài)特性，一般選擇D=0.35較好。目前三十五頁(yè)\總數(shù)三十八頁(yè)\編于十八點(diǎn)討論穩(wěn)態(tài)時(shí)電容C1上電壓為DVi。在負(fù)載突變時(shí)，例如由空載突加到滿載，電容電壓不能突變，反饋將占空比拉到最大，磁化最長(zhǎng)，去磁不足而引起變壓器飽和。這是應(yīng)當(dāng)在變壓器設(shè)計(jì)和電路保護(hù)上予以注意的。開通軟開關(guān)是由變壓器漏感來(lái)實(shí)現(xiàn)的。漏感能量與負(fù)載電流及漏感大小有關(guān)。如果漏感小，輕載時(shí)很難實(shí)現(xiàn)零電壓開通。如果漏感太大，占空比丟失太大。一般保證在1/3滿載功率以上實(shí)現(xiàn)ZVS。