不對稱半橋反激變換器的設(shè)計(jì)

廖鴻飛+梁奇峰+熊宇

摘 要： 為了提高充電器效率和簡化電路結(jié)構(gòu)，采用不對稱半橋反激式變換器作為鋰電池充電器的主電路，詳細(xì)分析不對稱半橋反激變換器的工作原理和軟開關(guān)條件，給出主電路參數(shù)之間的關(guān)系式，并利用關(guān)系式設(shè)計(jì)150 W樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有功率器件均實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)。采用不對稱半橋反激變換器設(shè)計(jì)的鋰電池充電器具有結(jié)構(gòu)簡單，效率高，電磁干擾小的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 不對稱半橋； 反激變換器； ZVS； 軟開關(guān)條件

中圖分類號： TN720?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0149?03

0 引 言

傳統(tǒng)的反激變換器由于結(jié)構(gòu)簡單，成本低等特點(diǎn)在充電器設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，然而由于反激變換器的開關(guān)元件工作在硬開關(guān)狀態(tài)，效率低，EMI干擾大[1]，因此不適合于大功率場合的應(yīng)用。不對稱半橋變換器是一種新型的軟開關(guān)變換器，效率高，EMI干擾小，但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且變壓器容易出現(xiàn)偏磁而導(dǎo)致?lián)p壞。

不對稱半橋反激變換器結(jié)合了反激變換器及不對稱半橋的優(yōu)點(diǎn)，利用變壓器的漏感與隔值電容的諧振，使得原邊開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了ZVS，副邊二極管工作于ZCS狀態(tài)，因此開關(guān)損耗和EMI干擾得到了大幅度的減小，并且由于變壓器工作于反激狀態(tài)，克服了不對稱半橋變換器偏磁的缺點(diǎn)，使得不對稱半橋反激變換器受到了學(xué)者的關(guān)注。

本文對不對稱半橋反激的工作原理及參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并設(shè)計(jì)了150 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，對不對稱半橋反激變換器的參數(shù)設(shè)計(jì)及性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 不對稱反激半橋變換器的工作原理分析

1.1 變換器工作模態(tài)分析

不對稱半橋反激變換器的結(jié)構(gòu)圖[2]如圖1所示，該圖中Vin為直流輸入電壓；開關(guān)管 Q1和 Q2為變換器中半橋結(jié)構(gòu)的2個(gè)開關(guān)管，Q1，Q2為互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)，DS1和 DS2分別為開關(guān)管 Q1和 Q2的體二極管；CS1和 CS2為開關(guān)管Q1和 Q2的寄生電容；Cr為隔直電容；Lm為勵(lì)磁電感，Lr為變壓器漏感，變壓器的變比為n；輸出端D為副邊整流二極管，C為輸出濾波電容，R為負(fù)載。

圖1 不對稱半橋反激變換器的結(jié)構(gòu)圖

不對稱半橋反激變換器的工作波形如圖2所示，在一個(gè)開關(guān)周期中，不對稱半橋反激變換器有6種狀態(tài)[3]。

圖2 不對稱半橋反激變換器的工作波形

狀態(tài)1（t0～t1）：當(dāng)t=t0時(shí)，變換器上管Q1導(dǎo)通，Q2斷開，Q2的D?S間電壓為Vin，變壓器原邊電壓為正，副邊二極管反偏截止；此時(shí)Lr和Lm串聯(lián)，在輸入電壓作用下，電流線性上升，變壓器存儲(chǔ)磁場能量。輸出濾波電容向負(fù)載提供能量。

狀態(tài)2（t1～t2）：當(dāng)t=t1時(shí)，Q1關(guān)斷，由于ir為正，此時(shí)，ir將給Q1的寄生電容Cs1充電，給Q2的寄生電容Cs2放電，使得Q1的D?S間電壓Vds1線性上升，Q2的D?S間電壓Vds2線性下降。當(dāng)t=t2時(shí)，Vds2下降到零。

狀態(tài)3（t2～t3）：當(dāng)t=t2時(shí)，Vds2下降到零，而ir為正，因此，Q2的寄生二極管Ds2導(dǎo)通，此時(shí)若施加驅(qū)動(dòng)信號于Q2的柵極，Q2將實(shí)現(xiàn)零電壓開通，即ZVS。當(dāng)Vds2下降到零，變壓器激磁電感兩端電壓將反向，副邊二極管D將正偏導(dǎo)通，Lm兩端的電壓將箝位在nVo。變壓器的漏感Lr與隔值電容Cr發(fā)生諧振，存儲(chǔ)在勵(lì)磁電感中的能量將向副邊傳遞，由于副邊電流的存在，原邊電流ir與勵(lì)磁電感電流im不相等。

狀態(tài)4（t3～t4）：當(dāng)t=t3時(shí)，施加驅(qū)動(dòng)信號于Q2的柵極，Q2零電壓開通，原邊漏感Lr與Cr諧振，輸出電路維持導(dǎo)通，輸出電流iD開始增加。

狀態(tài)5（t4～t5）：當(dāng)t=t4時(shí)，Q2關(guān)斷，為了防止Q1，Q2同時(shí)導(dǎo)通，Q1，Q2同時(shí)保持關(guān)斷。初級電流ir給開關(guān)管Q1的，初級電流 ir給開關(guān)管 Q1的反并聯(lián)電容 CS1放電，同時(shí)給開關(guān)管 Q2的寄生電容CS2充電，變壓器初級電流ir開始正向增大，當(dāng)t=t5時(shí)，Cs1放電完畢，Vds1下降到零。

狀態(tài)6（t5～t6）：當(dāng)t=t5時(shí)，Cs1兩端電壓下降到零，原邊電流ir開始流過Q1的寄生二極管Ds1。同時(shí)原邊電流ir近似線性增加，當(dāng)t=t6時(shí)，給Q1柵極施加驅(qū)動(dòng)信號，Q1導(dǎo)通，此時(shí)Q1為零電壓導(dǎo)通。當(dāng)t=t6時(shí)，勵(lì)磁電感電流im與漏感電流ir相等，副邊二極管D內(nèi)電流為零時(shí)自然關(guān)斷，即實(shí)現(xiàn)了ZCS。

1.2 軟開關(guān)條件分析

1.2.1 Q1的ZVS條件

由狀態(tài)5和狀態(tài)6的分析可知，要使得Q1實(shí)現(xiàn)ZVS，Lr必須有足夠的能量，使得Q1寄生電容Cs1兩端的電壓從Vin被放電至零，Q2的寄生電容Cs2兩端的電壓[4]被充電至Vin，因此有：

[12Lrir（t4）2>12Cs1Vin2+12Cs2Vin2] （1）

即Q1實(shí)現(xiàn)ZVS的條件為：

[Lr>（Cs1+Cs2）V2inir（t4）2]

從工作波形可以看出，當(dāng)t=t4時(shí)，有：

[ir（t4）=immin-idmax] （2）

因此：

[ir（t4）=-Ion·1+D1-D-12Vin（1-D）LmDTs]

1.2.2 死區(qū)時(shí)間的選取

為了防止Q1，Q2直通，在Q1與Q2驅(qū)動(dòng)信號之間需要加入死區(qū)時(shí)間。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，原邊電流給Q1，Q2的寄生電容進(jìn)行充放電，以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，因此死區(qū)時(shí)間必須大于Q1，Q2寄生電容的充放電時(shí)間，以保證Q1，Q2能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開通的的最小死區(qū)時(shí)間為：

[tdead>maxCsVinir（t1），CsVinir（t4）]

當(dāng)Q1，Q2的寄生電容充放電完畢，而Q1，Q2的柵極仍未施加驅(qū)動(dòng)信號時(shí)，原邊電流將通過Q1，Q2的體二極管流動(dòng)，即狀態(tài)3和狀態(tài)6，由于Mosfet的體二極管的壓降通常比較大，將造成較大的損耗，因此需要合理選擇死區(qū)時(shí)間，盡量縮短狀態(tài)3和狀態(tài)6的時(shí)間。

2 參數(shù)計(jì)算

（1） 在整個(gè)變換器中個(gè)，變壓器參數(shù)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，對于磁性元件，應(yīng)滿足伏秒積分平衡法則，即勵(lì)磁電壓和時(shí)間的乘積等于去磁電壓和時(shí)間的乘積，即：

[（Vin-Vcr）LmLm+LrDTs=nVo（1-D）Ts] （3）

由于電容電壓不能突變，因此在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，隔值電容上的電壓基本保持固定，即：[Vcr=DVin]，因此變壓器匝比為：

[n=DVinLmVo（Lm+Lr）] （4）

由電磁感應(yīng)定律可得變壓器原邊匝數(shù)為：

[Np=VinD（1-D）AeΔBfs]

因此副邊匝數(shù)為：

[Ns=Npn]

（2） 隔值電容的選取。當(dāng)Q1關(guān)斷后，諧振電感與隔值電容發(fā)生諧振，整個(gè)Q1關(guān)斷間隔時(shí)間大約等于半個(gè)諧振周期，因此有：

[πLrCr=（1-Dmin）Ts]

解上式可得：

[Cr=（1-Dmin）2T2sπ2Lr]

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了150 W的充電器，輸入電壓為[Vin=390 V]，輸出電壓為[Vo=24 V]，輸出電流為[Io=6 A]，開關(guān)頻率為[65 kHz]，[Lr=32 μH]，[Lm=750 μH]，[Cr=3.3 μF]，變壓器采用PQ32/30磁芯，采用L6591為控制芯片。

圖3為Q2的驅(qū)動(dòng)波形及DS的波形，Q1，Q2之間留有一定的死區(qū)時(shí)間。從波形中可見，Q2導(dǎo)通前，其DS電壓已經(jīng)下降到零，Q1，Q2均實(shí)現(xiàn)了ZVS。圖4為二極管電流與電壓波形，從圖中可見，二極管關(guān)斷前電流已經(jīng)下降到零，副邊二極管實(shí)現(xiàn)了ZCS。

圖3 Q2驅(qū)動(dòng)波形及DS波形

圖4 整流二極管電壓與電流波形

4 結(jié) 語

針對反激變換器開關(guān)損耗大，電磁干擾大的特點(diǎn)，將傳統(tǒng)反激變換器與不對稱半橋相結(jié)合，研究設(shè)計(jì)了一種不對稱半橋反激變換器為主電路的鋰電池充電器；分析不對稱半橋反激變換器的工作原理和實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件，給出了參數(shù)設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上述設(shè)計(jì)方法是切實(shí)有效的，不對稱半橋反激變換器能很好地實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，提高效率，減小電磁干擾。

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