不对称半桥变换器教育课件.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,不对称半桥变换器PPT讲座,引言,目前高频化已成为电力电子电路的主要特点，它可以使变换器具有更高的功率密度、高可靠、低噪声和快速响应能力，但由于电力电子开关器件的开关损耗与开关频率成正比，频率越高，器件和电路的损耗越大，变换器的效率也就越低。采用零电压开关和零电流开关技术可以极大地减少变换器的开关损耗。,本讲座将介绍最近研制的,600W,的不对称半桥（,AHB,）直流变换器，采用,ZVS,软开关技术减少器件的开关损耗。,不对称半桥,ABH,的电路结构,不对称半桥电路的构成,开关管,S1,的占空比为,D,S,的占空比为,（,1-D,）,直流母,线电压,Ls,为一次侧串联电感,电流检测电阻,隔直电容,变压器,T,，原边匝数为,N,1,，副边匝数分别为,N,2,和,N,3,。,Lo,和,Co,足够大。,整流二极管,D1,和,D2,体内二极管,等效电容,不对称半桥,AHB,电路的工作原理,、变压器激磁电感,m,足够大；,、滤波电感,0,和电容,C,0,足够大，工作于电流连续模式；,、隔离电容,1,足够大，其上的电压在一个周期内保持不变,;,、开关管寄生电容为常量，不随电压变化,;,5,、所有开关管和二极管都是理想的。,为了简化分析，作如下假设,:,不对称半桥的原理时序分析,以输出滤波电感电流,i,Lo,连续为例。,驱动波形说明：,为了防止,S1,、,S2,出现共同导通，设置死区时间,Td1,、,Td2,。,Ugs1,、,Ugs2,分别是开关管,S1,、,S2,的驱动控制信号。,说明：为了分析方便死区时间设置偏长,不对称半桥的工作模态分析：,t,0,时刻前,S1,导通，,p,点电压,U,p,=U,i,，变压器,T,一次绕组电流,i p,经开关管,S1,、电容,C1,、一次绕组,N1,、电感,Ls,、检测电阻,Rs,流通,.D1,导通，,D2,截止。,不对称半桥的工作模态分析,:,t,0,t,1,滤波电感电流,i,Lo,经电感,Lo,、电容,Co,、,D,1,、,N,2,流通，,D,1,的电流,i,D1,=i,Lo,；,t,0,时刻，,S,1,关断，,i,p,转移流经电容,C,S1,和,C,S2,，,C,S1,开始充电、电压线性上升，,C,S2,开始放电、电压线性下降，,N,1,和,Ls,上电压下降，,U,mn,下降，,i,Lo,仍然经二极管,D,1,流通。,稳态时，,Ls,和,Rs,上的电压很小。,不对称半桥的工作模态分析,:,t,0,t,1,U,C1,：电容,C1,上电压,二次侧二极管整流电压,U,mn,：,根据变压器伏秒平衡：,不对称半桥的工作模态分析：,t,1,时刻,p,=U,CS2,=U,C1,，,U,N1,=0,，,U,Ls,=0,，,U,mn,=0,，,i,p,正向最大值。,不对称半桥的工作模态分析,:,t1t2,t1,时刻后，,C,S1,继续充电，,C,S2,继续放电，变压器一次绕组,N1,和,Ls,开始承受反向电压，电流,ip,开始减小。,为了保持,i,Lo,不变，,i,D1,减小，,i,D2,上升，二极管,D1,、,D2,同时导通，,mn=0,，变压器二次等效短路，一次绕组,N1,电压为零，反向电压由,Ls,单独承受。,不对称半桥的工作模态分析,t2,时刻,t2,时刻，,CS1,上升到,p,，,U,CS2,下降到零，,i,p,经,D,S2,流通。二极,管,D1,、,D2,维持同时导通，,i,D1,减,小，,i,D2,上升，,Ls,承受最大反向,电压,-U,C1,，,ip,继续减小，下降斜,率达到最大，至,t,3,时,i p,为零。,不对称半桥的工作模态分析,t2t3,开关管,S,2,的驱动控制信号,V,gs2,由零变为高电平，由于,S,2,的漏源电压为零，,S,2,实现,ZVS,零电压开通。,S,2,开通后，,i,p,经,S,2,、,DS,2,流通。显然，,ZVS,时间段（,t,2,t,3,）长短主要有,i,Lo,折射到一次的值、,Ls,及变压器平均激磁电流,I,m,大小决定。,不对称半桥的工作模态分析,t3t4,t,3,时刻后，,Ls,仍承受电压,-V,C1,，,i,p,继续下降，使,i,p,反向增加，,i,p,经绕组,N,1,、电容,C,1,、开关管,S,2,、电感,Ls,流通。,至,t,4,时，,i,D1,下降至零，,i,D2,上升为,i,Lo,，二极管,D,1,关断、,D,2,继续导通，变压器短路状态结束。,不对称半桥的工作模态分析,t4t5,t4,时刻后，变压器短路状态结束，绕组,N1,和,Ls,共同承受电压,-UC1,。,由于变压器激磁电感,Lm,远大于,Ls,，,Ls,上的电压可忽略。,iLo,经电感,Lo,、电容,Co,、二极管,D2,、二次绕组,N3,流通，,iD2=iLo,。,不对称半桥的工作模态分析,t4t5,此时二次侧二极管整流电压为：,不对称半桥的工作模态分析,t5t6,t,5,时刻，,S,2,关断，,i,p,转移流经电容,C,S1,和,C,S2,，,C,S2,开始充电，,C,S1,开始放电，电压线性下降，绕组,N,1,和,Ls,上反向电压绝对值下降，,U,mn,下降，,i,Lo,仍经,D,2,流通。,不对称半桥的工作模态分析,t5t6,t6,时刻，该阶段结束，此时,U,P,（,U,CS2,）,=U,C1,，,N,1,和,Ls,上反向电压下降到零，,U,mn,=0,，,i,p,为反向最大值。,不对称半桥的工作模态分析,t6t7,t6,时刻后，,C,S2,继续充电使电压上升，,C,S1,继续放电使电压下降，绕组,N,1,和,L,s,开始承受正向电压，,i,p,开始正向上升（绝对值减小），为保持,iLo,不变，,i,D2,减小，,i,D1,上升，二极管,D1,、,D2,同时导通，,U,mn,=0,。,不对称半桥的工作模态分析,t6t7,变压器二次侧等效短路，一次绕组,N,1,电压为零，正向电压由,Ls,单独承受。,不对称半桥的工作模态分析,t7t8,t,7,时刻，,U,CS2,（,U,P,）上升到,U,i,，,U,CS1,下降到零，,ip,经二极管,DS,1,流通。二极管,D1,、,D2,同时导通，,i,D1,上升，,i,D2,减小，,Ls,承受最大,正向电压（,U,i,-U,C1,），,ip,继续正,向上升（绝对值减小），上升,斜率达到最大。,不对称半桥的工作模态分析,t7t8,t8,时刻，,ip,为零。在,t7t8,阶段，开关管,S1,的,控制信号,Vgs1,由零变为,高电平，由于,S1,漏源电,压为零，,S1,实现,ZVS,零,电压开通。,S1,开通后，,ip,经,S1,流通。,不对称半桥的工作模态分析,t8t9,t,8,时刻后，,Ls,继续承受电压（,Ui-U,C1,），,i,p,继续正向上升，使,i,p,正向增加，,i,p,经开关,S,1,、电容,C,1,、绕组,N,1,、电感,Ls,、检测电阻,Rs,流通；,至,t,9,时，,i,D2,减小到零，,i,D1,上升到,i,Lo,，二极管,D,2,关断，,D,1,继续导通，变压器结束短路状态。,不对称半桥的工作模态分析,t9t0+T,t,9,时刻后，变压器结束短路状态，,N1,和,Ls,共同承受正向电压（,Ui-UC1,），由于变压器激磁电感,Lm,远大于,Ls,，,Ls,上的电压可忽略。,iLo,经电感,Lo,。电容,Co,（包括负载）、,二极管,D1,、二次绕组,N2,流通，,i,D1,=I,Lo,。,不对称半桥的工作模态分析,t9t0+T,此时二次侧二极管整流电压为：,（,t0+T,）时刻，,S1,关断，电路重新重复前述,t0,时刻后的过程。,小结：不对称半桥的基本关系,稳态时,当,S,1,导通时，初级电压的正幅值：,当,S,2,导通时，初级电压的负幅值：,不对称半桥的基本关系,理想的变压器次级电压与初级电压波形相似，只相差一个变比 （取,N,2,=N,3,）,如果输出滤波电感,Lo,足够大（,CCM,模式），输出直流分量为：,考虑到 ，上式表示为：,不对称半桥的基本关系,1.,可见，输入电压一定是，输出电压与占空比,D,成二次方关系。因为平方项前是负号，抛物线的碗口朝下，最大值在,D=0.5,。,2.,因此，占空比最大调节范围为,00.5,。如果设定,D,在,00.5,范围调节，当,D,超出,0.5,时，闭环调节由负反馈变为正反馈。,考虑到 ，上式表示为：,输出电压与占空比的关系,不对称半桥的基本关系,反射到初级电流为直流分量,由于,N,2,=N,3,，电感电流连续，次级线圈中平均电流为 ，而,流过,S,1,的电流为：,流过,S2,的电流为：,次级线圈,N,2,和,N,3,电流有效值：,电路设计步骤,因为一般使用,MOSFET,作为功率开关，电路工作频率一般选择在,100KHZ,以上。电路设计步骤如下：,设计参数：,输出电压：,输出功率 或输出电流,最大占空比：,取决于电路的频率和输出电流。,应当小于控制芯片的极限占空比,D,lim,输入电压与变化范围：,电路设计,由选取的,D,max,，确定变压器变比：,注意：如果输出电压或输入电压较低，则上式中整流器或功率管的压降，以及输入和输出电路中的所有压降均需考虑。,电路设计,决定变压器线圈参数,已经决定了最低电压,U,imin,下的最大占空比,D,max,。初级电压,U,1,=U,i,（,1-D,）。根据工作频率,f,，选择磁芯材料。按允许单位体积损耗（例如自冷为,100mW/cm3,）选择磁感应,B,来计算线圈匝数。一般先计算最低电压对应的线圈匝数。,电路设计,输出滤波参数,滤波电感：假定纹波电流,I,为输出电流的,20%,。当,S1,导通时：,即：,不对称半桥滤波电感比正激输出滤波电感小（,1-2D,）倍,讨论,由于输出与输入是二次方关系，调节特性对称于,0.5,。最大占空比不宜接近,0.5.,但不能太小，否则匝比小，初级峰值电流加大。,D,如果接近,0.5,，加载时，无法通过增大占空比调节输出电压。为获得较好的动态特性，一般选择,D=0.35,较好。,讨论,稳态时电容,C1,上电压为,DVi,。在负载突变时，例如由空载突加到满载，电容电压不能突变，反馈将占空比拉到最大，磁化最长，去磁不足而引起变压器饱和。这是应当在变压器设计和电路保护上予以注意的。,开通软开关是由变压器漏感来实现的。漏感能量与负载电流及漏感大小有关。如果漏感小，轻载时很难实现零电压开通。如果漏感太大，占空比丢失太大。一般保证在,1/3,满载功率以上实现,ZVS,。,讨论,输出滤波电感由右式决定：,可以看到,D,越接近,0.5,，需要连续的电感量越小。因此不对称半桥工作适合在输入是,PFC,预调节后，输入范围较窄的变换器中。,讨论,由于不对称半桥变换器存在直流偏磁，功率变压器磁芯带有气隙，或采用不对称匝比，获得最小的直流偏磁。,可以使用有源箝位控制芯片，但应限制最大占空比在,0.5,以下。或使用普通控制芯片，使用双路输出中的一路，同时用非门获得,S,2,控制信号，并将前沿延迟获得死区。,不对称半桥电路的特点,不存在半桥电路电容不平衡的问题；,功率管电压应力小，结构紧凑，易于实现软开关（,ZVS,）；,开关管互补导通，时间不等；,该拓扑适合于高频工作，并能获得高效率。,谢谢大家，错误难免，,请批评指正。,