一種新穎的副邊控制型DCDC半橋變換器-中國(guó)電氣傳動(dòng)網(wǎng)歡

1、一種新穎的副邊控制型DC/DC半橋變換器杜少武 丁莉 合肥工業(yè)大學(xué)摘要：提出一種新穎的副邊控制型DC/DC半橋變換器。該變換器從空載到滿載均能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，其中原邊開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS，副邊開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZCS。變換器優(yōu)越的輸出波形減小了輸出濾波器的體積。分析了該變換器的工作原理和工作特性，并通過一個(gè)100 W（輸出12 V/8.4 A）的原理樣機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證，最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)鍵詞：副邊控制 零電壓 零電流 DC/DC變換器A Novel Half-bridge DC/DC Converter Using Secondary-side ControlDu Shaowu Ding LiAbstract

2、: A novel half-bridge DC/DC converter using secondary-side control is proposed. It achieves ZVS for the primary side switches and ZCS for the secondary side switches. The filter requirements are significantly reduced for the superior filter waveforms. The principle and characteristics of the propose

3、d converter is analyzed, and verified on a 100 W (12 V/8.4 A output) experimental prototype, and experimental results are presented.Keywords: secondary-side control ZVS ZCS DC/DC converter71 引言移相控制全橋DC/DC變化器已成為中大功率DC/DC變換器的較理想的實(shí)現(xiàn)方式之一。它不用附加諧振元件，只是利用變壓器的漏感和開關(guān)管（MOSFET）的結(jié)電容就可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)，拓?fù)浼翱刂凭?jiǎn)單，能恒頻運(yùn)行。

4、但移相ZVS全橋變換器在輕載時(shí)難以實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的ZVS開關(guān)；另外在零狀態(tài)時(shí)，原邊有較大的環(huán)流，這就增大了導(dǎo)通損耗。為實(shí)現(xiàn)輕載時(shí)的ZVS，需要有足夠大的原邊電流。這樣就有兩種方式增大原邊電流：增大負(fù)載電流分量或增大激磁電流分量。傳統(tǒng)的方式是增大負(fù)載電流分量，在原邊串聯(lián)大電感，這種方法雖然可以增大實(shí)現(xiàn)ZVS的負(fù)載范圍，卻造成重載時(shí)副邊電壓的占空比丟失，需增大變壓器變比才能保證輸出同樣的電壓，這樣就導(dǎo)致原邊電流和導(dǎo)通損耗的增加。若將大電感改為飽和電感，雖然減小的占空比的丟失，但卻是以增大通態(tài)損耗為代價(jià)的。激磁電流與負(fù)載無關(guān)，可以利用它來實(shí)現(xiàn)即使是空載時(shí)的ZVS。然而激磁電流的增加使得導(dǎo)通損耗也隨之增

5、加，這是因?yàn)樵谧儞Q器處于零狀態(tài)時(shí)，激磁電流以峰值形成環(huán)流，增大的變壓器和開關(guān)管電流的有效值。若能減小或消除環(huán)流時(shí)間，損耗會(huì)大大減小。本文提出一種副邊控制的方案，原邊不用實(shí)現(xiàn)PWM控制，故原邊可采用不可控半橋，使得激磁電流在增大的同時(shí)消除環(huán)流時(shí)間，減少損耗。并且該變換器較為理想的輸出電壓波形也減小了輸出濾波器的體積。2 工作原理圖1為一種新穎的副邊控制型DC/DC半橋變換器的主電路拓?fù)?。Ci1，Ci2為分壓電容，容量相等。S1，S2為原邊開關(guān)管，C1，C2，D1，D2 為S1，S2的體二極管和結(jié)電容。 S3，S4為副邊開關(guān)管。Dr1Dr4為副邊整流二極管，Lf為輸出濾波電容，Cf為輸出濾波電容。

6、中心抽頭變壓器內(nèi)部繞組變比為n1，外部繞組為n2（這里變比均值副邊繞組比原邊繞組）。變壓器的激磁電感為L(zhǎng)m，變壓器漏感為L(zhǎng)r，且LmLr。圖1 主電路結(jié)構(gòu)在分析工作原理之前，先作出如下假設(shè)：1）除了考慮S1，S2的體二極管和結(jié)電容之外，所有的開關(guān)管和二極管均為理想元件；2）Ci1=Ci2，容量相等且足夠大，均分輸入電壓；3）C1= C2 = Cr4）濾波電感Lf足夠大，濾波電容Cf足夠大。圖2為該變換器的工作波形。原邊開關(guān)工作在恒定的開關(guān)頻率下，在一個(gè)周期內(nèi)，兩個(gè)開關(guān)圖2 工作波形各導(dǎo)通180（實(shí)際工作時(shí)需加入一定的死區(qū)時(shí)間，以防止上下橋臂直通）。變換器的一個(gè)開關(guān)周期包括12個(gè)工作階段：1）階

7、段10t0。S1，S3導(dǎo)通，原邊向負(fù)載傳送能量。原邊電流經(jīng)S1、諧振電感Lr、變壓器原邊繞組。副邊電流回路是：從副邊繞組經(jīng)整流二極管Dr1、輸出濾波電感Lf、輸出濾波電容Cf與負(fù)載R，回到副邊繞組。副邊整流電壓Vrect、反射回原邊的負(fù)載電流ipl、變壓器的激磁電流ipm、原邊總電流ip分別為2）階段2t0t1。t0時(shí)刻S1關(guān)斷，原邊電流轉(zhuǎn)移到C1，C2支路，對(duì)C1充電，C2放電，故S1是零電壓關(guān)斷。原邊電壓雖然減小，但尚未減小到零，因此負(fù)載電流仍然能反射到原邊，即Lf仍能參與諧振。而傳統(tǒng)移相全橋中，在超前臂關(guān)斷，滯后臂剛剛開始轉(zhuǎn)換時(shí)反射的負(fù)載電流就開始下降。這對(duì)于原邊開關(guān)實(shí)現(xiàn)ZVS也有一定的

8、輔助作用。t1時(shí)刻，變壓器的激磁電流增大到峰值ipm(max)。這樣反射回原邊的負(fù)載電流ipl、變壓器的激磁電流ipm、原邊總電流ip表達(dá)式同階段1。在t1時(shí)刻原邊總電流ip為 對(duì)電容C1有： 該階段持續(xù)時(shí)間： 3）階段3t1t2。t1時(shí)刻原邊電壓減小到零，ip繼續(xù)對(duì)對(duì)C1充電，C2放電。VAB的極性自零變?yōu)樨?fù)，變壓器副邊繞組電勢(shì)反相，整流二極管Dr2開始導(dǎo)通，以至兩個(gè)整流二極管同時(shí)導(dǎo)通，變壓器副邊短路。這樣變壓器副邊繞組電壓為零，原邊繞組電壓也為零，VAB直接加在諧振電感Lr上。因此在這段時(shí)間里實(shí)際上是諧振電感Lr和C1，C2在諧振工作，使C1充電，C2放電。這個(gè)時(shí)間段里，有： 初始條件：

9、, 解微分方程并代入初始條件可得原邊電流ip和電容C3 ，C4的電壓分別為 其中。當(dāng)在t2時(shí)刻，當(dāng)C1 ，C2完成充、放電過程，即當(dāng)C2電壓諧振下降到零、C1電壓上升到Vin，D2自然導(dǎo)通（為S2零電壓導(dǎo)通作準(zhǔn)備），結(jié)束這一階段，階段3 的持續(xù)時(shí)間為： 4）階段4t2t3。在t2時(shí)刻，D2自然導(dǎo)通，將的電壓鉗位在零位，若此時(shí)開通S2，則S2為零電壓開通。S3驅(qū)動(dòng)信號(hào)和 S4驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的死區(qū)時(shí)間tdt02： 雖然S2此時(shí)已開通，但不并流過電流。諧振電感Lr的儲(chǔ)能回饋給輸入電源。由于副邊兩個(gè)二極管同時(shí)導(dǎo)通，因此變壓器副邊繞組電壓為零，原邊繞組電壓也為零，這樣電源電壓的一半加在變壓器漏感兩端，原邊

10、電流線性下降，原邊電流為 到t3時(shí)刻，原邊電流從Ip(t2)下降到零，二極管D2自然關(guān)斷，S2中將流過電流，階段4 的時(shí)間為 5）階段5t3t4。在t3時(shí)刻，原邊電流ip由正值過零，并且向負(fù)方向增加，此時(shí)S2為原邊電流提供通路。由于原邊電流ip仍不足以提供負(fù)載電流，負(fù)載電流仍由兩個(gè)整流管共同提供回路，因此原邊繞組電壓仍為零，加在諧振電感兩端電壓是Vin/2，原邊電流反向增加。原邊電流為在t4時(shí)刻，電流完全轉(zhuǎn)換到Dr3支路，副邊完成換相，流過副邊開關(guān)管S3的電流下降到零。半個(gè)開關(guān)周期結(jié)束，開始下半個(gè)開關(guān)周期。階段5 的時(shí)間為6）階段6t4t6。原邊向負(fù)載傳送能量，副邊整流電壓Vrect、反射回原

11、邊的負(fù)載電流ipl、變壓器的激磁電流ipm、原邊總電流ip分別為在t5時(shí)刻，給S3關(guān)斷信號(hào)，S3是零電流關(guān)斷。7）階段7t6t7。t6時(shí)刻S4開通，原邊向負(fù)載傳送能量。副邊整流電壓Vrect=(n1+n2)Vin/2，反射回原邊的負(fù)載電流ipl=(n1+n2)Iot7時(shí)刻，S2關(guān)斷，變換器開始工作在下半個(gè)周期其與上半個(gè)周期相似，不再詳述。3 變換器特性分析3.1 軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)圖3為傳統(tǒng)的移相全橋變換器以及新穎的副邊控制型DC/DC半橋變換器的變壓器原邊的電壓和電流波形，其中電流波形包括激磁電流分量，和負(fù)載電流分量。由工作原理的分析可知，激磁電流有助于原邊開關(guān)管ZVS的實(shí)現(xiàn)，新穎的副邊控制型DC

12、/DC半橋變換器沒有零狀態(tài)，激磁電流的增加不會(huì)增大導(dǎo)通損耗。激磁電流只決定于輸入電壓，與負(fù)載無關(guān)，因此可以實(shí)現(xiàn)從輕載到重載較寬范圍內(nèi)的ZVS。（a）傳統(tǒng)的移相全橋變換器（b）新穎的副邊控制型DC/DC半橋變換器圖3 變壓器原邊的電壓和電流波形副邊開關(guān)管是在電流為零時(shí)自然關(guān)斷的，在任何情況下都能實(shí)現(xiàn)ZCS關(guān)斷，其ZCS特性與負(fù)載無關(guān)。3.2 濾波電感的減小傳統(tǒng)的移相全橋變換器及新穎的副邊控制型DC/DC半橋變換器整流后的電壓波形分別如如圖4a、圖4b所示。由文獻(xiàn)4的分析可知，新穎的副邊控制型DC/DC半橋變換器的輸出濾波電感小于傳統(tǒng)的移相控制變換器。同時(shí)電感的減小也提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。3.3

13、副邊占空比的丟失當(dāng)變壓器原邊電流ip由正（或負(fù)）變負(fù)（或正）時(shí)，即t1t3和t7t9期間，副邊開關(guān)管與整流管處于換流狀態(tài)，變壓器被短路，使得變壓器副邊的占空比減小。且變壓器的漏感越大，占空比丟失越明顯6。由于原邊開關(guān)軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)主要依靠變壓器的激磁電流，變壓器的漏感可以很小，實(shí)際上占空比丟失很小。(a)(b)圖4 兩種變換器的輸出電壓波形4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)該變換器的工作原理和特性在一臺(tái)12 V/8.4 A的原理樣機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：輸入直流電壓60 V；輸出直流電壓12 V；輸出額定電流8.4A；變壓器匝比（副邊/原邊）n1n20.5；開關(guān)頻率fs100 kHz；主開關(guān)管（S1S4）IR

14、F540；輸出濾波電感：Co12 H；輸出濾波電容：Lo470 F；輸出整流二極管（Dr1Dr2）MBR3060。圖6為主要的實(shí)驗(yàn)波形。圖5a為變壓器原邊的電壓和電流波形。圖5b為整流后的電壓波形。與傳統(tǒng)的移相全橋的單階梯整流電壓波形相比，若要求相同的輸出電壓、輸出電流和電流紋波，該變換器將需要較小的濾波電感。圖5c原邊開關(guān)管S1的電壓和電流波形?？梢钥闯?，當(dāng)Vds下降到零的時(shí)候，其體二極管導(dǎo)通，此時(shí)開通S1是ZVS開通。圖5d是副邊開關(guān)管S3的電壓和電流波形。原邊電流反向時(shí)，S3自然換流，電流id下降到零，為其實(shí)現(xiàn)ZCS關(guān)斷提供的寬裕的條件。（a）變壓器原邊的電壓和電流波形（b）整流后的電壓

15、波形（c）原邊開關(guān)管S1的電壓和電流波形（d）副邊開關(guān)管S3的電壓和電流波形圖5 實(shí)驗(yàn)波形5 結(jié)論本文提出的新穎的副邊控制型DC/DC變換器，分析并驗(yàn)證了其工作原理，該變換器具有如下優(yōu)點(diǎn)。1）解決了傳統(tǒng)的移相全橋在輕載時(shí)難以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的缺陷，在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)原邊開關(guān)管的ZVS和副邊開關(guān)管的ZCS。2）不需要復(fù)雜的輔助諧振網(wǎng)絡(luò)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠性高。3）需要較小的輸出濾波電感，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。參考文獻(xiàn)1 Rajapandian Ayyanar.A Novel Class of Hybrid, Soft-switching DC-DC Converters with High

16、Power-density, High Efficiency and Low EMID. MINNESOTA: the University of MINNESOTA,20002 Ayyanar R, Mohan N. Novel Soft-switching DC-DC Converter with Full ZVS-range and Reduced Filter Requirement.II.Constant-input,Variable-output ApplicationsJ. IEEE Transactions on Power Electronics. 2001, 16(2): 1932003 Ayyanar R, Mohan N, Button R A. Start-up, Short-circuit and Dynamic Charact