一种新型软开关半桥DC／DC变流器的研究.Stamped

第８卷第５期　２００５年５月　电涤技　石甩　

ＰＯＷＥＲ　ＳＵＰＰＬＹ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ　ＡＮＤ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ　Ｖｏ１．８　Ｎｏ．５　

Ｍａｖ　２００５　

一种新型软开关半桥　ＤＣ／ＤＣ变流器的研究六　

蔡拥军，　谢小高，　钱照明　（浙江大学电气工程学院，　浙江杭州　３１００２７）　

摘要：介绍了一种半桥变流器软开关的控制方法，实现了一个主开关的软开通，同时使得另一个　主开关能在较低电压下开通。分析了具体的控制电路以及主电路拓扑工作原理。最后给出了相应的　１　Ｖ／３０Ｗ实验电路模型，实验结果证明了前面的理论分析。　关键词：半桥变流器；零电压开关；同步整流　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ａ　Ｎｏｖｅｌ　Ｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　Ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ　ＤＣ／ＤＣ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ＣＡＩ　Ｙｏｎｇ－ｊｕｎ，ＸＩＥ　Ｘｉａｏ—ｇａｏ，　ＱＩＡＮ　Ｚｈａｏ—ｍｉｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　Ｚｈｅｊｉａｎｇ　３　１００２７，　Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｏｖｅｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｃｈｅｍｅ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｓｏｆｔ・ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｆｏｒ　ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｓ　ａ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｓｗｉｔｃｈ　ｃａｎ　ｔｕｒｎ　ｏｎ　ｕｎｄｅｒ　ｚｅｒｏ・ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｎｏｔｈｅｒ　ｔｕｒｎ　ｏｎ　ａｔ　ａ　ｌｏｗｅｒ　ｖｏｌｔａｇｅ．Ｄｅｔａｉｌｅｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ａｒｅ　ｇｉＹｅｎ　ｔｏｏ．Ａ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｏｆ　ａ　１　Ｖ／３０　Ｗ　ＤＣ／ＤＣ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｂｏｖｅ．　Ｋｅｙｗｏｒ￣：ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｚｅｒｏ—ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ；ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ　

中图分类号：ＴＭ４６　文献标识码：Ａ　文章编号：０２１９—２７１３（２００５）０５—００１６—０４　

０　引言　半桥电路拓扑在中小功率开关电源中已经得　到了广泛的应用。从门极脉冲触发方式上分，半桥　电路可分为对称半桥和不对称半桥。不对称半桥是　通过两个互补的门极触发脉冲来控制桥臂上下两　个开关管。在这种门极触发脉冲方式下，两个开关　管之间几乎没有死区时间（ｄｅａｄ—ｔｉｍｅ）存在，所　以，变压器原边漏感和开关管输出结电容之间形成　的ＬＣ振荡就会削弱。而且这种很小的ＬＣ振荡能　够实现两个开关管的零电压（ＺＶＴ）开通¨¨　¨　Ｉ。但　它只适合输入电压范围较窄的场合，而不适合输　入电压范围较宽的场合…　。对称半桥两开关管的　门极触发波形则是两个脉宽相等且带有死区的　ＰＷＭ调制脉冲。对称半桥的优点是适合输入电压　范围较宽的场合，缺点是两个主开关都工作在硬　

收稿日期：２００５—０１—０４　国家自然科学基金资助项目：５０２３７０３０　

ｌ６　

开关状态下，在高频情况下的开关损耗就会比较　大。所以，它并不适合频率很高的场合，而且，变压　器漏感和开关管结电容间在死区内的振荡也很明　显，这就会带来振荡损耗，甚至可能造成较高的振　荡尖峰从而损坏开关管。　本文介绍了一种新型的软开关半桥ＤＣ／ＤＣ　变流器。它不需要外加任何其它器件，只需要通过　改变开关管的触发脉冲的相位就可以实现普通硬　开关半桥拓扑中的一个开关管的软开通，且减小了　变压器原边漏感和开关管输出结电容之间的振荡，　同时还可以使另一个ＭＯＳ管在较低的电压下开　通。另外一个特点就是工作在这种开关方式下的半　桥变流器具有适合宽范围输入电压的特性。　

１　ＰＷＭ调制脉冲的实现　这种ＰＷＭ调制脉冲与不对称半桥的不完全　相同，两个开关管的门极触发脉冲之间有死区存　在。具体的门极触发脉冲以及控制原理图如图１和　

维普资讯 http://www.cqvip.com ◇控■技木　：：：．二　堑型　±竖　ＤＣ变流器的研究……　

图２所示。为了便于分析说明，这里将ＴＬ４９４作为　ＰＷＭ控制芯片。与普通的对称半桥不同的是，它　不是直接将ＴＬ４９４的两路输出经自举芯片后送到　原边的上下两个开关管进行驱动，而是将其一路　输出经二极管后作为Ｄ触发器的输人，经触发器　分频后再分成两支路，其中一支路输出经自举驱　动芯片后驱动半桥电路的原边开关管，另一支路　输出经反相器反相后驱动副边的同步整流管（如　图２中％　和　．所示）。ＴＬ４９４的另一路输出　（ＯＵＴ２）经ＲＣＤ电路后作为与非门的输入，它的　输出分别经自举驱动芯片和反相器，分别去驱动　原边另一个主开关管和副边另一个同步整流管　（如图２中％　和　所示）。这里的ＲＣＤ电路和　与非门的作用是将ＴＬ４９４的输出ＯＵＴ２作一个延　时得到％。，以避免原边两主开关管的直通和实现　开关管ｓ。的软开通。　

ＴＬ４９４ＯＵＴ２　＿　ｌ　

ＴＬ４９４　ＯＵＴｌ　●　Ｉ　

＋　■■ｌ　■■＿　

Ｖ　●ｌ　＿　通　Ｉ　

¨　■—●■■■■＿■■■■＿　

一　２　

ＴＬ４　ＴＬ４　

图１　门极ＰＷＭ脉冲波形　

图２　控制电路图　２　工作原理分析　

主电路拓扑如图３（ａ）所示，输出整流级采用　的是带中间抽头的同步整流结构。图２（ｂ）给出了　变流器一个工作周期的波形图。　新型软开关半桥变流器在一个周期中的工作　模式如图４所示。　（ａ）　变流器主电路拓扑　］一　ｌ　＿＿＿＿＿－——　ｌ　一　ＮＶ　Ｉ　ｌ　ｆ　一　＾＾，　＾＾／：　Ｖ　ｒ　Ｖ　Ｖ　１　ｆ　一　（ｂ）　变流器工作波形图　图３　主电路拓扑及其工作波形图　模式１【ｔ。～ｔＩ］　如图４（ａ）所示，在ｔｏ时刻之　前ｓ　处于导通状态，在ｔ。时刻，ｓ２的门极脉冲消　失，ｓ　关断，由于变压器原边漏感的存在，在ｓｚ关　断后，ｓ。未开通之前，漏感的储能对ｓｚ的输出结　电容　进行充电，使　上升；同时，ｓ．的输出结　电容　。处在放电状态，　一下降。副边两个同步　整流管的体二极管同时导通维持负载电流。变压　器副边没有功率输出，负载电流由输出电感厶来　维持。　模式２【ｔ。～ｔ　】　如图４（ｂ）所示。在ｔ一时刻，　ｓ。的　。下降到零点，此时触发ｓ。，实现了ｓ・的零　电压开通。同时副边同步整流管ｓ　－也受触发导　通，Ｓ　和ｓ　都处于关断状态。在这个期间内，负载　能量由输人电容ｃ。经变压器变换后供给。　模式３【ｔ　～ｔ，］　如图４（ｃ）所示。在ｔｚ时刻ｓ・　关断，变压器原边的工作模式正好和模式１中的　相反，此时，ｃ　。被充电，　ｚ放电，从而　・上升，　下降。副边ｓ　。继续维持导通，ｓ　的体二极管　Ｄ　被迫导通进行续流。　模式４Ｉ　ｔ，～ｔ　】如图４（ｄ）所示。在ｔ３时刻ｓ　受触发导通，副边两个同步整流管都处在导通状　态，平分负载电流。而变压器原边此时就会形成两　１７　

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Ｍａｙ　２００５　

ｌ８　（ｅ）模式５【ｔ　～ｔｓ】　图４　电路工作模式图　

个振荡回路，它们分别由　，　。，ｃ。以及　，ｃ　，　Ｃｚ构成。具体波形见图３（ｂ）所示。　模式５【ｔ　～ｔｓ】　如图４（ｅ）所示。在ｔ　时刻Ｓ２　开通，其中ｔ　可取在大于ｔ，的任何一时刻。它可　以是在振荡的上升沿或下降沿，也可以是在振荡　的最高点或是最低点，这主要取决于负载的大　小。所以，调整负载可使ｓｚ在不同的　电压下开　通。此时ｓ　ｚ也受触发导通，ｓ　关断。　下一个工作模式就是模式１的情况，在这里　不再重复叙述。　

３　实验结果　实验主电路如图３（ａ）所示。控制电路如图２　所示。主电路具体参数如表１所列，控制电路参数　如表２所列。　表１　实验电路参数　参数名称　数值或型号　输入电压　ＣＩ，Ｃ２　开关频率　原边漏感Ｌｋ　Ｓ１．Ｓ２　变压器磁芯　输出Ｖｏ／　Ｃ。　变压器原副边匝比　输出电感Ｌ。　Ｓ　Ｉ，Ｓ　２　输出滤波电感磁芯　ＤＣ　３６　Ｖ／４８　Ｖ　６３Ｖ／ｌ００　Ｆ　２２５　ｋＨｚ　５００ｎＨ　ＩＲＬＲ２９０５　Ｒ一４２２ｌ６一ＥＣ　１．ＯＶ／３０Ａ　２．５Ｖ／ｌ　５００　Ｆ　ｌ２：ｌ　２．５　Ｈ　ＮＴＤｌ　ｌ０Ｎ０２Ｒ　ＭＳ０９０ｌ２５—２　

表２控制电路参数　参数名称　数值或型号　Ｒｌ。Ｒ２　Ｄ，，Ｄ４，Ｄ５　触发器　与非门　Ｒ　Ｃ　反相器　自举芯片　

实验波形图如图５所示。图５（ａ）是原边主开　关管和副边同步整流管的门极驱动波形。轻载时，　由于负载电流较小，所以反映到原边的电流也较　小，存储在变压器漏感中的能量不足以实现ｓ－的　零电压开通，图５（ｂ）是在输入电压Ｖｉ　＝３６Ｖ，负　载电流，０＝１５　Ａ时测得的上管ｓ－的源漏极电压　

。以及门极电压　波形，可以看出，在虚线区　

８　３　ｃ：　叭一一

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