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1、不对称半桥变换器的研究一 课题的来源目的意义，国内外情况和预测n传统硬开关开关电源的发展以及遇到的问题n软开关电路的发展历程n各种软开关电路的应用及不对称半桥的特点n国内外的研究情况 传统硬开关变换器抛弃了50Hz工频变压器，使电源的重量、体积大幅度减小，提高了效率，可输出高质量的直流电。 由于实际需要，要求DC/DC变换器具有更小的体积、重量，这就要求DC/DC变换器工作在更高的频率上。在硬开关工作下，随着频率的提高，开关管损耗成正比上升，电路效率大大降低，严重时，开通和关断瞬间开关器件的状态轨迹超出安全工作区，影响开关的可靠性，产生很强的电磁千扰。 最先在70年代出现了全谐振型变换器， 此
2、类变换器一般采用频率调制的方法，对负载变化很敏感，谐振元件一直谐振工作，参与能量变换的全过程。 准谐振变换器和多谐振变换器出现在80年代中期。这是软开关技术的一次飞跃，谐振元件只参与能量变换的某一个阶段，而不是全程。它也是采用频率调制的控制方法。 80年代末出现了零开关PWM变换器。 每一种基本DCIDC变换电路，都有其适用场合，适宜中功率的变换器有:双管正激、移相全桥和半桥，采用得最多的是双管正激和移相全桥两种拓扑。双管正激是一种典型的硬开关变换电路，其优点是线路简单，控制方便，成本较低:其缺点是硬开关工作，开关损耗较大，在D小于0.5下工作，输出纹波较大，总体效率不高，EMI大，如果实现Z
3、CS, ZVS等，必须外加一些元器件，控制复杂，成本攀升。 移相全桥是一种典型的软开关变换电路，其优点有:开关管在ZVS条件下进行，开关损耗小，控制简单，有现成的控制芯片(UC3875, UC3895)，恒频工作，电压、电流应力小，可以用两倍开关频率的滤波器，EMI小;其缺点有:轻载时，滞后臂开关管的ZVS实现困难，原边有较大的环流，增加导通损耗，输出二极管无法实现零电压开关，其开关损耗较大，频率过高，占空比丢失严重，电路和驱动较为复杂。 不对称半桥就是综合了双管正激原边简单和移相全桥副边有利于输出的变换器拓扑，如果利用开关管的输出电容和变压器的漏感发生串联谐振，使得开关管两端电压降到零，实现
4、ZVS，就可以大大提高工作频率和输出功率。与其它电路相比，不对称半桥电路有电路简单，原理清晰的特点，是比较合适的中等功率的软开关 拓扑。 目前，对不对称半桥进行研究的国家和地区主要有美国、俄罗斯、日本、加拿大和台湾等。在我国进行这方面研究的主要有浙江大学。国外对它研究较深入，涉及到不对称半桥的拓扑结构的改进、稳态分析、暂态分析、小信号模型、通用拓扑结构原理等。 涉及拓扑结构的有变压器二次侧优化，加饱和电感，双变压器，电流倍流整流器，集成变压器，集成电感、电容和变压器等各种形式。二预计需达到的要求、技术二预计需达到的要求、技术指标指标 1.输入48V，输出15V，功率500W。无论是输入电压出现
5、波动还是负载发生变化，都要达到一定的电压稳态精度，静态时一般为2%。 2正常工作条件下能实现软开关运行。 3具有短路、过载、过电压、欠电压等保护功能。 技术方案 在普通半桥电路中，上下桥臂开关信号是对称的，靠占空比来调节输出电压，一般情况下占空比不可能是0.5，这样两开关开通信号有一个比较大的间隙，在此期间变压器原边的电流为零，漏感能量消耗在缓冲电路上，由于两开关管工作不能衔接很难实现软开关 不对称半桥中，两个主开关管上加的不是对称的驱动信号，而是互补驱动信号，即一个占空比为D和一个占空比为1-D的驱动信号，以实现两个驱动信号的衔接，以便实现软开关。此时电容上电压不再是输入直流电压的二分之一，
6、而是根据占空比的变化而变化。DCinVAV1S2S1D2D1C2CbC3V kL1N21N22NpI1sD2sDfLfCRoV对于不对称半桥DC/DC变换器，:主开关为两个互补控制的功率MOSFET （ 和 ）, 两管占空比分别为D和1 -D, , 分别为 和 的体二极管，谐振电容 和 是 和 的寄生电容，隔直电容 作为开 关管 导通时的电压源 ，带中间抽头变压器T原边 匝数为 ，副边匝数为 和 ，采用全波整流，用超快恢复二极管 和 ，输出滤波电感 ,输出滤波电容 和负载R。先假设开关器件为理想器件，不考虑死区时间，主电容当作足够大，当上桥臂开关开通时，输入电压和电容的电压之差加在原边绕组上，
7、二极管 开通，下桥臂开关导通时，加在原边绕组上的电压即为电容上的电压，此时二极管 导通。 1S2SS1DS2D1S2S2C1C1S2SbC2S1N21N22N1D2DfLfC1D2D 电容 上的电压 ，假设在连续导通模式下工作，输出滤波电感上平均电压为零： 当 时，输出电压取最大值，减小上桥臂开关占空比就能减小输出电压。bC3inVVD12(1)()oinVVDD nn2111NnN2221NnN0.5D 软开关过程分析：当上桥臂开关快速关段时，由于并联电容的作用，开关是软关断的，副边由于滤波电感的作用，电流几乎不变，在A点电压小于主电容上电压时，副边绕组短路，依靠漏感的作用，原边电流维持原方
8、向，使下桥臂开关管两侧电压降到零，寄生二极管导通，下开关此时可以实现软开通。后续状态类似，不作分析。 预计的技术关键和解决方法 通过分析可以知道：要实现下桥臂二极管导通，原边电压为零时，由于副边相当与短路不参与能量传递，必须使漏感能量大于能实现下桥臂二极管开通所需要的能量，得出以下结论 当输入电压低，负载电流大有助于实现软开关条件。 增加特征阻抗，即增加漏感，减小电容，有助于实现软开关条件。 当时，开关管下桥臂开关管容易实现软开关，时，上桥臂容易实现软开关，当占空比接近0.5时，容易实现软开关。 由于输入电压不能人为设定，电容一般是开关管的寄生电容也不能改变，为了实现软开关运行，只能靠增加电感
9、。电感增加到一定程度时，很方便实现软开关，但是带来的问题是占空比损失，效率降低，解决的办法为： 1原边增加饱和电感 在上桥臂开关管开通时，饱和电抗通过正 向电流并处在饱和状态，在上开关管关断后电流降到很小时，饱和电感退出饱和，相当于一个普通电感的作用使得电流继续原方向以保证下开关管实现软开关，这 种 电 路拓扑具有软开关范围宽、占空比损失小、减小了主回路中的通态损耗等优点，但这种电路也存在如下几个缺点:材料的选择是比较困难，高频工作时损耗很大，材料不合适时饱和电感严重发热 。一般来说，当输入电压波动 较大时，饱和电感必须由最高输入电压来决定，那么，在低输入电压时，副边的占空比损失较多，输入电压
10、越低，占空比损失越多。 2副边加辅助开关1D21N22NfLfCRoVCCCQCD 由于在原边直接增加了比较大的电感，比较容易使下桥臂开关管实现软开通，此时为了减小占空比损失，就应阻止电流继续流动，使的电流反向，使的电路正常输出。只需要在下桥臂开关管软开通的同时开通副边开关，由于电容上电压的作用副边电流很快归零，原边电流也很快到零，此时关断开关，即可正常输出电压。上桥臂软开通后是同样的过程。 此电路加入了有源器件，控制变的复杂，成本增加，辅助开关管在硬开关状态下运行，其损耗不可忽略。但是此电路的优点是能够在大范围内实现软开关，占空比损失小。综合考虑，选用副边加辅助开关管的办法。 直流偏磁问题：原边由于有隔直电容的作用不会产生直流偏磁的问题，但是副边由于是不上下桥臂不对称导通，可以产生直流分量，消除影响，可以 1合理设计铁心的气隙，使的铁心难以饱和。 2 副边采用不对称绕组，让导通时间短的一个绕组长的绕组有更少的匝数，使得两个方向上磁平衡，并且保证在典型状态下是没有偏磁的。 谢谢！
