半橋拓?fù)浼皯?yīng)用規(guī)范

1、半橋拓?fù)浠A(chǔ)及應(yīng)用規(guī)范摘要本技術(shù)文檔主要針對(duì)半橋逆變器工作原理進(jìn)行分析。通過(guò)半橋逆變器開關(guān)分析得出結(jié)論，半橋逆變器可以有條件的實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，從而提高效率。描述對(duì)稱半橋的主電路如圖1所示。圖1中包括兩個(gè)互補(bǔ)控制的功率MOSFET，其中M1的占空比為D，M2的占空比為（1D），DS1和DS2是開關(guān)的體二極管，隔直電容C2，作為開關(guān)M2開通時(shí)的電 源。包括漏感Lk，勵(lì)磁電感Lm的中心抽頭的變壓器，原邊匝數(shù)為Np，副邊匝數(shù)分別為Ns1和Ns2。 本文檔針對(duì)下圖的半橋逆變器展開分析，首先分析了逆變器架構(gòu)以及半橋逆變器的優(yōu)缺點(diǎn)，接著針對(duì)高效率的半橋逆變器工作原理進(jìn)行分析，最后對(duì)變壓器的設(shè)計(jì)，高壓電容容值得選

2、取進(jìn)行了仿真，分析，并給出結(jié)論。Figure-1 半橋逆變器架構(gòu)示意圖1. 半橋逆變器設(shè)計(jì)分析 因液晶屏本身沒(méi)有發(fā)光功能，這就需要在液晶屏后加一個(gè)照明系統(tǒng)，該背光照明系統(tǒng)由發(fā)光部件、能使光線均勻照射在液晶表示面的導(dǎo)光板和驅(qū)動(dòng)發(fā)光部件的電源構(gòu)成?，F(xiàn)在發(fā)光部件的主流為被稱作冷陰極管的螢光管。其發(fā)光原理與室內(nèi)照明用的熱陰管類似，但不需象熱陰管那樣先預(yù)熱燈絲，它在較低溫狀態(tài)就能點(diǎn)亮，因此叫冷陰極管。但要驅(qū)動(dòng)這種冷陰極管需要能輸出10001500V交流電壓的特殊電源。這種特殊電源稱之為逆變器。 小尺寸CCFL（22寸以下）逆變器方案中，由于半橋架構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低，應(yīng)用非常廣泛，通常使用一個(gè)P+N的場(chǎng)效

3、應(yīng)管即可實(shí)現(xiàn)，其工作模式比較簡(jiǎn)單，下圖為小尺寸方案中，半橋架構(gòu)的波形和電路示意圖。 從成本和效率的角度考量，大尺寸LCD-TV逆變器的輸入逐漸改為由PFC（380V-400V)的輸出直接輸入，這就是我們所說(shuō)的LIPS(LCD-TV Integrated Power Supply,液晶集成電源）方案。 Figure-4 LIPS電源和逆變器架構(gòu) 大尺寸LIPS方案逆變器采用半橋或者全橋架構(gòu)，半橋架構(gòu)一般采用定頻，MOSFET處在硬開關(guān)狀態(tài)，這樣會(huì)導(dǎo)致MOSFET上面很大的開關(guān)損耗，此外這種硬開關(guān)導(dǎo)致的EMI必須通過(guò)相應(yīng)的手段去處理才能符合EMC的規(guī)范要求。在成本上，因?yàn)槟孀冏儔浩髀└泻艽?，?chǔ)存的

4、能量較大，而一般的MOSFET 體二極管反向截至的速度都比較慢，為了避免交叉導(dǎo)通。必須增加4顆超快恢復(fù)的二極管。 但是由于LIPS方案中，逆變器的輸入電壓為PFC的輸出電壓，通常設(shè)計(jì)其工作在最大占空比狀態(tài)，即使用變壓器的漏感，匝比來(lái)控制CCFL工作電流。這樣半橋架構(gòu)同樣可以實(shí)現(xiàn)MOSFET的軟開關(guān)狀態(tài)，不僅可以獲得不錯(cuò)效率，也可以順利的通過(guò)EMC規(guī)范要求。這種方式正逐漸成為L(zhǎng)IPS方案中成本與性能兼顧的選擇。 它的主要優(yōu)點(diǎn)如下：· 定頻下也可以實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通· 減少逆變器的EMI問(wèn)題，提高轉(zhuǎn)換效率· 減小散熱器面積· 提高電流正弦度· 不需要在

5、橋臂上增加超快二極管 值得注意的是這種架構(gòu)由于最大能量傳輸由輸入電壓，漏感共同決定，需要當(dāng)漏感Llk儲(chǔ)存能量續(xù)流完成前，打開開關(guān)管，這樣兩個(gè)MOSFET工作才能在軟開關(guān)狀態(tài)，如下圖分析。這樣將導(dǎo)致半橋的軟開關(guān)只能在一個(gè)很窄的范圍能實(shí)現(xiàn)，由于變壓器漏感在量產(chǎn)時(shí)候會(huì)有20%以上的偏差，以及pfc輸入電壓和液晶屏幕的微小差別，都可能導(dǎo)致在量產(chǎn)時(shí)候，逆變器的兩顆MOSFET沒(méi)有工作在軟開關(guān)狀態(tài)，過(guò)大的開關(guān)損耗導(dǎo)致其損壞。 Figure-5 半橋逆變器工作時(shí)序?qū)τ谏鲜龅牟ㄐ芜M(jìn)行傅立葉分析，詳盡的推導(dǎo)過(guò)程可以在信號(hào)與分析中獲得，可以得到正弦波基波分量為： ，2. 半橋逆變工作原理分析 半橋架構(gòu)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)應(yīng)

6、用于42寸AU屏和32寸AU屏的逆變器方案中，它是通過(guò)在二次側(cè)對(duì)驅(qū)動(dòng)的處理在同一橋臂的兩個(gè)MOSFET直接插入漏感續(xù)流時(shí)間，來(lái)實(shí)現(xiàn)在一個(gè)較窄的范圍內(nèi)軟開關(guān)的。下面對(duì)這種工作原理的每一個(gè)狀態(tài)逐一進(jìn)行分析。初始狀態(tài)時(shí)Q1=>On;Q2=>OFF,原邊向次邊傳輸能量，電流方向：Q1àTràC1àGND 第一階段:Q1=>Off; D(Q2)=>On;當(dāng)Q1Off時(shí)，由于變壓器一次側(cè)存在自感電壓，使得變壓器一次側(cè)的電流不能立即中斷，故當(dāng)Q1=Off時(shí)，Q2自身的二極管D被打開，此時(shí)電流方向：GNDàQ2àTràC1&#

7、224;GND第二階段: Q2=>On,當(dāng)Q2自身二極管被打開時(shí)，在二極管的Source和Drain之間電壓大約為VDS0.7V，這時(shí)Q2晶體管被打開，因此，Q2開關(guān)晶體管有零電壓切換功能。此時(shí)電流方向：Q2àTràC1àGND。 第三階段: Q2=>On, 此時(shí)原邊向次邊傳輸能量，電流流向：GNDàC1àTràQ2àGND （因?yàn)镃1存在，所以漏感續(xù)流后電流反向）第四階段：Q2=>Off;DQ1=>On,當(dāng)Q2=Off【半橋只能做到零電壓開啟（其實(shí)還是有0.7V），不能做到零電流關(guān)斷】時(shí) 由于變壓器

8、一次側(cè)存在自感電壓，使得變壓器一次側(cè)的電流不能立即中斷，故當(dāng)Q2=Off時(shí)，Q1自身的二極管D被打開， 電流流向：GNDàC1àTrà DQ1àPFC 第五階段：Q1=>On;, 開關(guān)晶體管Q1的Source和Drain之間的電壓VDS=-0.7V,這時(shí)開關(guān)晶體管Q1被打開，因此，晶體管Q1具有零電壓切換功能。 通過(guò)對(duì)每一個(gè)階段工作狀態(tài)的分析，兩個(gè)MOSFET均可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，提高效率。但是如果漏感選擇不恰當(dāng)，或者占空比太小，在第一階段續(xù)流和第四階段漏感續(xù)流結(jié)束后才打開Q1和Q2，Q1和Q2將工作在硬開關(guān)狀態(tài)，同樣不能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，這是在設(shè)計(jì)中需要注

9、意的問(wèn)題。實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，通常會(huì)讓半橋工作在最大占空比狀態(tài)，即保證續(xù)流時(shí)間內(nèi)打開Q1和Q2。3. 變壓器的設(shè)計(jì)與分析3 1諧振電路的分析與仿真LCD-TV逆變器是通過(guò)變壓器的漏感、諧振電容與CCFL燈管的阻抗共同構(gòu)成一個(gè)LCR二階電路對(duì)方波進(jìn)行濾波來(lái)產(chǎn)生一個(gè)近似的正弦波的。為了計(jì)算變壓器的參數(shù)，對(duì)逆變器架構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，下圖是這個(gè)電路的簡(jiǎn)化過(guò)程。 根據(jù)這個(gè)等效電路進(jìn)行仿真可以得到下面左圖的增益曲線，其中頻率”L”表示的原邊隔直電容Cs與主電感Lm之間諧振產(chǎn)生的諧振點(diǎn)，通常這個(gè)頻率點(diǎn)都非常低，低于10kHz,逆變器沒(méi)有工作在這個(gè)頻率點(diǎn)附近，所以計(jì)算中，我們可以忽略兩個(gè)元器件產(chǎn)生的效應(yīng)。 頻率點(diǎn)”

10、H”表示的是漏感”Llk,高壓電容Cp和CCFL阻抗R產(chǎn)生的諧振點(diǎn)，這三個(gè)元器件值的選取在半橋諧振電路中是最重要的，它們綜合作用，決定了開路電壓，燈管電流，和工作頻率。 針對(duì)變壓器的漏感”Llk,高壓電容Cp和CCFL阻抗R產(chǎn)生的諧振點(diǎn)我們進(jìn)行分析，變壓器的輸出電壓為Vin*N*Q，Vin表示變壓器原邊的rms值，可以看出當(dāng)增益減小時(shí)，變壓器的輸出電壓也會(huì)減小而從增益曲線可以看出，當(dāng)CCFL沒(méi)有被點(diǎn)燃，處于無(wú)窮大阻抗時(shí)產(chǎn)生，諧振點(diǎn)上有一個(gè)很大的增益將可以燈管點(diǎn)燃當(dāng)負(fù)載，而當(dāng)CCFL燈管的阻抗減小時(shí)，諧振電路的電壓增益和諧振點(diǎn)都會(huì)減小，此時(shí)，可以保證CCFL燈管的正常工作。3 2 逆變器的等效電

11、路 在半逆變器架構(gòu)中，包括了隔直電容Cs,原邊漏感Ll1,原邊主感Lm,匝比Np:Ns,次邊漏感Ll2,屏的寄生電容Cpara和高壓電容Cout，如下圖所表示。在工程設(shè)計(jì)中，需要對(duì)這個(gè)架構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化和等效，使其便于工程計(jì)算。 定義Co等于Cout和寄生電容之和，Neff為考慮實(shí)際原次邊之間所存在較大的漏感后的匝比()，在實(shí)際計(jì)算中，將原邊的擱置電容、漏感和主感等效到二次側(cè)后，可以得到等效電路： 在工程設(shè)計(jì)是一個(gè)非常小的值可以忽略不計(jì)，如前面所述的，和產(chǎn)生的諧振點(diǎn)遠(yuǎn)低于逆變器的工作頻率，也即是在工程設(shè)計(jì)中，是一個(gè)非常大的值，在增益計(jì)算中可以忽略。這樣就得到了下圖的等效電路。將電路簡(jiǎn)化后，可以得到拐

12、點(diǎn)頻率為：，特性阻抗為：相對(duì)于這個(gè)拐點(diǎn)頻率的加載品質(zhì)因數(shù)為：由等效電路可以得出輸入阻抗為：，諧振頻率定義為當(dāng)相位角為零時(shí)的頻率，則可以得到，也即是，且根據(jù)等效電路，得到電壓傳遞函數(shù)為：所以電壓增益和相位角分別為：，所以可以得到增益最大為：，當(dāng) ，當(dāng)這樣再根據(jù)上述第一小節(jié)中原邊傅立葉分析的結(jié)果，可以得到輸入和輸出的傳遞函數(shù)為：所以可以得到增益最大為：，當(dāng) ，當(dāng)3 3 逆變變壓器的設(shè)計(jì)實(shí)例 基于上面的分析和結(jié)論，可以設(shè)計(jì)一個(gè)逆變變壓器，首先，定義參數(shù)，在32寸AU屏的設(shè)計(jì)中，使用隔離變壓器，將PFC的輸出電壓降為100V的電壓，然后通過(guò)逆變器進(jìn)行了升壓，所以定義逆變變壓器的輸入電壓為100V 輸入

13、電壓100V電燈電壓800V工作電壓1250V工作電流13mA工作頻率45kHz 根據(jù)屏的規(guī)格書可以的得到所要求的燈管電流、工作電壓和燈管的工作頻率接著設(shè)計(jì)變壓器的一次側(cè)匝數(shù)，定義： = 一次側(cè)的最小匝數(shù) = 諧振電路的輸入電壓 = 磁芯密度 (Tesla) = MOS的最大導(dǎo)通時(shí)間（us）Ae = 磁芯的橫截面積 (mm2) 對(duì)于大部分的磁芯，其磁芯密度都為400mT，所以可以得到在實(shí)際中將設(shè)計(jì)為200mT，輸入電壓為隔離變壓器輸出電壓100V，這樣可以得到變壓器的一次側(cè)匝數(shù)為：=119選定一個(gè)合適QL，一般在最大占空比的軟開關(guān)情況下，選QL=1，此時(shí)=0，所以可以工作在ZVS狀態(tài)，由QL可以計(jì)算出諧振頻率點(diǎn)為：63.64k由此根據(jù)輸入電壓與輸出