不对称半桥的一种改进电路.pdf

1、 2006 年 9 月 25 日 第 23 卷 第 5 期通 信 电 源 技 术Telecom Power Technologies Sep. 25 , 2006 , Vol. 23 No. 5收 稿 日 期 : 2006205229作 者 简 介 : 陈 亮 (1982 - ) ,男 ,华 中 科 技 大 学 硕 士 研 究 生 , 研究 方 向 为 电 力 电 子 与 电 力 传 动 。文 章 编 号 :100923664 (2006) 0520022204 研 制 开 发不 对 称 半 桥 的 一 种 改 进 电 路陈 亮(华 中 科 技 大 学 电 气 工 程 学 院 ,湖 北 武 汉

2、 ,430074)摘 要 : 为 了 实 现 软 开 关 ,设 计 者 经 常 要 在 不 对 称 半 桥 上 加 一 个 谐 振 电 感 ,这 就 在 整 流 管 上 产 生 了 很 高 的 谐 振 电 压 。文 章 对 该 谐 振 电 压 的 产 生 进 行 了 理 论 分 析 ,并 给 出 了 消 除 的 方 法 。关 键 词 : 不 对 称 半 桥 ;谐 振 ;软 开 关中 图 分 类 号 : TN710 文 献 标 识 码 : AAn Improvement of Asymmet rical Half BridgeCH EN Liang(CEEE , Huazhong Univers

3、ity of Science and Technology , Wuhan , 430074 ,China)Abstract : To achieve the soft switching , a resonance inductor is usually used in the asymmetrical half bridge convert2er. A high resonance voltage on the rectify diodes is stimulated by the resonance inductor. The theoretical analyze and anappr

4、oach to eliminate the high resonance voltage is presented in this article.Key words : asymmetrical half bridge (A HB) ; resonance ; soft switching0 引 言不 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 等 优 点 的 变 换 器 拓 扑 ,利 用 开 关管 的 输 出 电 容 和 变 压 器 的 漏 感 发 生 串 联 谐 振 (有 时 为了 需 要 增 加 串 联 电 感 和

5、并 联 电 容 ) ,使 得 开 关 管 两 端 电压 降 到 零 ,实 现 ZVS ,就 可 以 大 大 提 高 工 作 频 率 和 输出 功 率 , 降 低 电 磁 干 扰 。 相 比 其 它 软 开 关 电 路 ,它 只需 要 和 传 统 半 桥 电 路 同 样 的 主 电 路 ,几 乎 不 需 要 加 辅助 元 件 。 虽 然 不 对 称 半 桥 电 路 的 电 压 调 节 能 力 比 较差 ,但 是 目 前 的 中 小 以 上 功 率 的 开 关 电 源 前 端 都 有PFC ,由 于 PFC 电 路 有 一 定 的 恒 压 输 出 功 能 ,如 果 输出 也 是 要 求 恒 压 的

6、 话 刚 好 符 合 不 对 称 半 桥 的 特 点 ,使它 得 到 广 泛 应 用 。1 不 对 称 半 桥 变 换 器 基 本 工 作 特 性图 1 为 不 对 称 半 桥 拓 朴 ,它 直 接 沿 用 传 统 半 桥 的主 电 路 ,只 是 把 传 统 半 桥 的 驱 动 由 对 称 的 占 空 比 小 于0. 5 的 信 号 变 成 互 补 的 驱 动 信 号 。电 容 Cb 上 的 电 压 Ucb = Uin D ( D 表 示 上 管 占 空比 ) ,由 于 在 连 续 导 通 模 式 下 工 作 ,输 出 滤 波 电 感 上 平均 电 压 为 零 ,故Uo = Uin (1 -

7、D) D ( n1 + n2 )式 中 , n1 = N 21N1; n2 = N 22N1。由 上 式 可 见 当 D = 0. 5 时 ,Uo 取 最 大 值 ,此 时 的工 作 过 程 与 普 通 半 桥 电 路 相 同 ,变 压 器 原 边 绕 组 上 的电 压 为 12 Uin 。 当 D 0. 5时 ,Uo 是 关 于 D 的 减 函 数 ,减 小 占 空 比 就 能 减 少 输 出 电 压 。图 1 不 对 称 半 桥 拓 扑2 软 开 关 过 程 分 析不 对 称 半 桥 拓 扑 软 开 关 过 程 分 析 如 下 :阶 段 1 ( t0 t1 ) :t0 时 刻 ,开 关 管

8、 S1 关 断 ,由 于 电 容 C1 、 C2 上 电 压不 能 突 变 ,开 关 S1 是 软 关 断 的 。 开 关 管 S1 关 断 后 ,变压 器 原 边 电 压 仍 然 为 正 ,故 副 边 绕 组 N 21 上 的 电 压 为正 ,二 极 管 D1 导 通 ,输 出 电 感 上 的 电 流 和 原 边 电 流 可以 看 作 不 变 ,电 容 C1 上 电 压 线 性 上 升 ,电 容 C2 上 电 压线 性 下 降 。 该 阶 段 的 方 程 为 :2 C dUA ( t)dt = - Ip开 始 时 UA ( t0 ) = Uin ,结 束 时 UA ( t1 ) = Ucb

9、,t1 - t0 = 2 C Uin - U3Ipo= 2 C(1 - D) UinIpo阶 段 2 ( t1 t2 ) :在 t1时 刻 ,UA ( t1 ) = Ucb ,变 压 器 原 边 绕 组 上 电 压为 零 ,在 t1时 刻 后 变 为 负 值 ,这 时 副 边 电 压 反 向 ,二 极管 D2 导 通 。 由 于 副 边 漏 感 的 作 用 ,二 极 管 D2 上 的 电22 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/通 信 电 源 技 术 2

10、006 年 9 月 25 日 第 23 卷 第 5 期 陈 亮 : 不 对 称 半 桥 的 一 种 改 进 电 路Telecom Power TechnologiesSep . 25 , 2006 , Vol. 23 No. 5流 不 可 能 马 上 达 到 滤 波 电 感 上 电 流 值 大 小 ,故 此 时 二极 管 D2 、 D1 同 时 导 通 ,变 压 器 副 边 短 路 ,原 边 电 压 全部 加 在 漏 感 上 面 ,电 容 C1 、 C2 和 漏 感 处 在 谐 振 状 态 。2 C dUA ( t)dt = - IpL k dip ( t)dt = UA - Ucb根 据 初

11、 始 状 态 可 得UA ( t) = Ucb - Ip1 Zn sin k ( t - t1 )Ip ( t) = Ip1 cos k ( t - t1 )t2 - t1 = 1karcsin UcbIp1 ZnIp ( t2 ) = Ip1 cos arcsin UcbIp1 Zn式 中 , k 、 Zn 分 别 为 谐 振 角 频 率 和 特 征 阻 抗 。阶 段 3 ( t2 t3 ) :t2 时 刻 ,UA = 0 下 桥 臂 开 关 管 反 并 联 二 极 管 开 通 ,UA = 0 保 持 不 变 ,变 压 器 原 边 电 流 线 形 下 降 。 当 t = t3时 ,变 压 器

12、 原 边 电 流 过 零 ,并 由 于 电 容 电 压 U3 的 作 用反 相 增 大 。 下 桥 臂 开 关 管 应 在 这 一 时 间 段 导 通 才 能 实现 软 开 通 。L k dip ( t)dt = - U3t3 - t2 = L kU3Ip2阶 段 4 ( t3 t4 ) :变 压 器 原 边 电 压 不 变 ,电 流 反 向 增 大 。 假 设 变 压器 所 有 绕 组 匝 数 相 同 ,当 原 边 电 流 增 大 到 输 出 电 流 的1/ n2 时 ,二 极 管 D2 继 续 导 通 ,二 极 管 D1 关 断 。t4 - t3 = L kUcbIp4 。此 阶 段 后

13、电 容 上 电 压 给 变 压 器 原 边 供 电 ,上 管 的软 开 通 过 程 类 似 ,不 作 分 析 。3 原 边 加 辅 助 电 感 及 其 产 生 的 谐 振在 阶 段 2 ,要 实 现 下 桥 臂 二 极 管 导 通 ,必 须 使 t1 时刻 ,漏 感 能 量 大 于 能 实 现 下 桥 臂 二 极 管 开 通 所 需 要 的能 量 ,由 于 副 边 相 当 于 短 路 不 参 与 能 量 传 递 ,这 时 需 要有 :Ip1 UcbZnIp1 Uin DZn( Zn = L k2 C)同 理 在 上 桥 臂 实 现 软 开 通 时 ,要 求 :Ip Uin - UcbZnIp

14、Uin (1 - D)Zn由 于 负 载 条 件 不 能 人 为 设 置 ,为 了 实 现 软 开 关 ,通常 采 用 的 办 法 是 原 边 加 谐 振 电 感 的 办 法 。 不 考 虑 电 阻的 影 响 ,变 压 器 的 高 频 模 型 如 图 2 所 示 。图 2 变 压 器 高 频 模 型图 2 中 L k1和 L k2分 别 为 原 边 和 副 边 的 漏 感 ,L m为变 压 器 的 励 磁 电 感 ,Cf1 、 Cf2 分 别 为 原 边 和 副 边 的 寄 生电 容 。 从 前 面 阶 段 4 开 始 分 析 ,此 时 原 边 电 流 为 零 ,原边 电 压 为 电 容 Cb

15、 上 的 电 压 ,副 边 的 两 个 整 流 二 极 管 同时 导 通 ,此 时 的 电 路 如 图 3 所 示 。图 3 整 流 管 同 时 导 通 时 电 路 模 型由 于 激 磁 电 感 比 较 大 ,不 考 虑 其 对 工 作 过 程 的 影响 。 L k12等 效 为 原 副 边 漏 感 之 和 。 用 Ca 代 表 原 边 寄生 电 容 ,Cb 为 变 压 器 寄 生 电 容 Cf2 与 整 流 二 极 管 D1 的寄 生 电 容 之 和 ,假 设 此 时 上 管 占 空 比 为 0. 4 ,则 :Ucb = 0. 4Uin由 上 面 软 开 关 过 程 3 开 始 分 析 考

16、虑 寄 生 参 数 的 工作 过 程 为 :开 始 时 L k 和 L k12 上 电 流 为 零 ,Ca 和 Cb 上电 压 为 零 (副 边 两 整 流 二 极 管 此 时 同 时 导 通 ,二 极 管 寄生 电 容 电 压 为 零 ,变 压 器 励 磁 电 感 相 当 于 短 路 状 态 ,在漏 感 很 小 的 情 况 下 ,变 压 器 寄 生 电 容 电 压 也 看 作 零 ) ,二 极 管 D1 导 通 ,滤 波 电 感 上 电 流 近 似 认 为 不 变 ,全 部流 过 整 流 管 (实 际 电 路 中 是 D1 和 D2 两 管 同 时 导 通 ,电 流 流 过 两 管 后 D1

17、 截 止 ,D2 导 通 ,为 分 析 方 便 ,用 D1管 代 替 ) 。 由 于 储 能 元 件 较 多 ,分 析 过 程 比 较 复 杂 ,现把 电 路 再 次 简 化 ,如 图 4 所 示 。 图 5 为 其 等 效 电 感 电流 和 电 容 电 压 计 算 波 形 。图 4 简 化 模 型用 L R 、 CR 代 替 原 来 的 双 级 L C 电 路 ,此 时 的 工 作过 程 可 以 描 述 为 (下 面 的 t0 t3 不 是 软 开 关 过 程 中 的t0 t3 ,而 是 软 开 关 过 程 阶 段 4 及 其 后 续 状 态 ) :阶 段 1 ( t0 t1 ) :在 输

18、入 电 压 作 用 下 ,L R 上 电 流 开 始 上 升 ,当 L R 上32 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/2006 年 9 月 25 日 第 23 卷 第 5 期通 信 电 源 技 术Telecom Power Technologies Sep. 25 , 2006 , Vol. 23 No. 5电 流 没 有 达 到 滤 波 电 感 上 电 流 Io 时 (假 设 Lf 上 电 流不 变 ) ,二 极 管 D1 继 续 导 通 ,并 把

19、电 容 CR 上 电 压 钳 位到 零 ,输 入 电 压 即 为 L R 上 的 励 磁 电 压 ,在 t1 时 ,L R 上电 流 上 升 到 Io (该 过 程 对 应 上 面 的 软 开 关 阶 段 4) 。阶 段 2 ( t1 t2 ) :L R 上 电 流 继 续 增 大 , IL R大 于 Io ,多 出 的 一 部 分 电流 给 电 容 CR 充 电 ,D1 上 电 压 从 零 开 始 增 加 ,二 极 管D1 进 入 反 向 截 止 状 态 。 此 时 L R 、 CR 和 Ucb 形 成 谐 振回 路 。iL R = Io + UcbZRsin R ( t - t1 )UCR

20、 = Ucb 1 - cos R ( t - t1 ) R = 1/ L R CRZR = L R / CR经 过 半 个 谐 振 周 期 到 达 时 间 t2 时 iL R 又 减 小 到Io ,UCR达 到 最 大 值 2Ucb 。图 5 等 效 电 感 电 流 和 电 容 电 压 计 算 波 形阶 段 3 ( t2 t3 ) :由 于 UCR的 作 用 ,iL R将 继 续 变 小Ucb = L R diL Rdt + 2Ucb - 1CR tt2 iCR dt由 初 始 条 件 得 :iL ( t) = Io - UcbZRsin R ( t - t2 )UCR = Ucb 1 + c

21、os R ( t - t2 ) t3 时 刻 ,iL R经 过 半 个 谐 振 周 期 重 新 变 成 Io ,电 路进 入 了 一 个 新 的 谐 振 周 期 。 如 果 不 考 虑 导 通 电 阻 ,电路 在 整 个 下 管 导 通 过 程 中 将 一 直 振 荡 下 去 。 在 上 管 开通 过 程 中 ,谐 振 过 程 相 同 ,不 再 描 述 。 通 过 以 上 分 析 可知 ,由 于 附 加 电 感 和 寄 生 电 容 的 存 在 ,在 上 下 管 开 通 后变 压 器 两 边 都 将 出 现 振 荡 ,使 得 变 压 器 两 边 的 最 大 电压 等 于 正 常 情 况 下 的

22、两 倍 (实 际 中 由 于 电 阻 的 存 在 ,电压 峰 值 小 于 此 值 ) ,并 使 副 边 整 流 管 的 反 向 承 受 电 压 大大 增 加 ,原 边 电 流 的 波 动 也 会 增 加 ,此 外 振 荡 过 程 势 必会 造 成 严 重 的 EMI 问 题 。4 原 边 加 钳 位 二 极 管 消 除 谐 振为 了 消 除 谐 振 ,有 一 种 简 单 有 效 的 办 法 就 是 在 原边 的 附 加 电 感 后 加 两 个 箝 位 二 极 管 ,如 图 6 所 示 。 当上 管 占 空 比 为 D 时 ,电 容 Cb 上 电 压 为 Ucb = Uin D。 在S2开 通

23、,S1关 断 时 ,由 L k和 寄 生 电 容 引 起 谐 振 时 ,若 变压 器 原 边 电 压 小 于 - Uin D ,二 极 管 D2 开 通 ,电 感 L k上电 流 通 过 D2和 S2 形 成 回 路 。 由 前 面 iL R和 UCR的 波 形图 可 知 :D2刚 要 导 通 ,即 变 压 器 电 压 和 电 容 电 压 相 等时 流 过 电 感 的 电 流 最 大 ,此 后 部 分 电 流 转 入 D2 ,并 呈指 数 下 降 ,峰 值 为 Ucb / ZR ,下 降 时 间 常 数 由 导 线 电 阻和 电 感 值 大 小 决 定 。 如 图 7 所 示 :图 6 改 进

24、 后 的 拓 扑 原 边 部 分图 7 箝 位 二 极 管 上 电 流 理 论 波 形在 S1开 通 , S2 截 止 时 过 程 类 似 ,变 压 器 原 边 电 压被 钳 位 在 - Uin D 和 Uin (1 - D) 之 间 ,不 会 出 现 谐 振 尖峰 。 以 一 个 输 入 电 压 392 V (由 市 电 经 过 PFC 所 得 ) ,输 出 电 压 24 V ,8 A 的 不 对 称 半 桥 电 路 为 实 验 对 象 ,正 常 工 作 时 的 占 空 比 约 为 0. 4 ,不 加 原 边 钳 位 二 极 管D2电 压 波 形 和 变 压 器 原 边 电 压 波 形 分

25、别 如 图 8、 9 所示 。 加 二 极 管 后 波 形 分 别 如 图 10、 11 所 示 。图 8 改 进 前 整 流 管 电 压 波 形注 :纵 坐 标 每 格 20 V ,横 坐 标 每 格 4 s42 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/通 信 电 源 技 术 2006 年 9 月 25 日 第 23 卷 第 5 期 陈 亮 : 不 对 称 半 桥 的 一 种 改 进 电 路Telecom Power TechnologiesSep . 2

26、5 , 2006 , Vol. 23 No. 5图 9 改 进 前 变 压 器 原 边 电 压 波 形注 :纵 坐 标 每 格 100 V ,横 坐 标 每 格 4 s图 10 改 进 后 整 流 管 的 电 压 波 形注 :纵 坐 标 每 格 20 V ,横 坐 标 每 格 4 s5 结 论本 文 阐 述 了 原 边 加 辅 助 电 感 的 原 因 并 详 细 分 析 了由 此 产 生 的 谐 振 ,通 过 简 化 电 路 模 型 分 析 了 谐 振 的 各个 状 态 ,用 近 似 公 式 得 出 谐 振 过 程 的 参 数 ,给 出 一 种 简单 有 效 的 消 除 方 法 并 用 实 验

27、 来 验 证 。 这 种 方 法 在 减 小器 件 应 力 、 提 高 电 路 稳 定 性 方 面 有 很 好 的 效 果 。图 11 改 进 后 变 压 器 原 边 电 压 波 形注 :纵 坐 标 每 格 100V ,横 坐 标 每 格 4 s参 考 文 献 :1 Sable D M , Lee F C. The operation of a full2bridge ,zero2voltage2switched PWM converter C . in Proc , VPEC ,2000 ,92297.2 Ruan X , Yan Y. Soft2switching techniques f

28、or PWM fullbridge converters C . in Proc. IEEE PESC 2000 , 2000 ,6342639.3 Hua G C , Lee F C , Jovanovic M M. An improved zero2voltage2switched PWM converter using a saturable induc2tor C. in Proc ,IEEE PESC 1991 ,1991 ,1892194.(上 接 第 18 页 )到 了 10 dB V。3 实 验 结 果 分 析采 取 第 一 种 补 偿 方 式 时 ,所 取 补 偿 电 压 为

29、 1/ 10 的变 压 器 原 方 电 压 ,实 验 测 得 最 理 想 的 补 偿 电 容 Ccomp =800 p F ;采 用 第 二 种 方 式 时 所 取 补 偿 电 压 约 为 1/ 3 的变 压 器 原 方 电 压 ,实 验 测 得 理 想 的 补 偿 电 容 Ccomp =270 p F ,它 们 近 似 满 足 下 列 关 系 :dU1 / dUcomp = Ccomp / Cpara (2)式 中 ,U1为 变 压 器 原 边 电 压 。结 合 前 面 的 公 式 (1) ,再 次 说 明 为 使 得 噪 声 抑 制 效果 最 好 ,选 取 合 适 的 补 偿 电 容 非

30、常 重 要 ,在 采 取 减 小 补偿 绕 组 匝 数 实 现 低 、 高 频 都 能 较 好 地 补 偿 噪 声 的 方 法时 ,补 偿 电 容 的 理 想 取 值 是 与 补 偿 电 压 成 反 比 的 ,即 满足 关 系 式 (2) 。4 结 论采 取 该 两 种 无 源 补 偿 方 法 都 可 以 有 效 地 抑 制 逆 变器 中 的 共 模 噪 声 ,且 其 补 偿 电 容 的 理 想 取 值 符 合 公 式(2)或 者 表 述 为 Ccomp = Cpara dU1 / dUcomp , Ccomp 偏 离 理 想值 越 远 ,补 偿 效 果 越 差 。 由 于 不 同 的 装 置

31、 结 构 方 面 的因 素 导 致 共 模 干 扰 主 要 路 径 不 完 全 一 样 ,具 体 采 用 哪种 补 偿 方 法 具 有 更 好 的 抑 制 效 果 ,应 视 具 体 装 置 的 测试 结 果 来 确 定 。变 压 器 漏 感 及 补 偿 绕 组 分 布 参 数 的 存 在 是 影 响 补偿 效 果 的 主 要 因 素 ,密 绕 原 方 绕 组 与 补 偿 绕 组 和 减 少补 偿 绕 组 匝 数 是 解 决 上 述 问 题 的 简 单 而 有 效 措 施 。参 考 文 献 :1 Daniel Cochrane. Passive Cancellation of Common2Mo

32、deElectromagnetic Interference in Switching Power Con2verters D . Virginia : Virginia Polytechnic Institute andState University ,2001.2 Cochrane D ,Chen D Y , Boroyevich D. Passive Cancella2tion of Comon2Mode Noise in Power Electronic Circuits C. PESC 2001 , IEEE 32nd Annual , Charleston , 2001(2) :102521029.3 谢 毅 聪 ,熊 蕊 . 基 于 补 偿 原 理 的 无 源 共 模 干 扰 抑 制 技 术在 开 关 电 源 中 的 应 用 C. 成 都 :第 14 届 全 国 电 磁 兼 容 学术 会 议 论 文 集 ,2004 ,1292134.52 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/