不對(duì)稱半橋同步整流DC/DC變換器

0 引言

目前，對(duì)低壓大電流輸出變換器的研究已經(jīng)成為重要的課題之一，如何提高這類變換器的效率是研究的重點(diǎn)。在傳統(tǒng)的DC/DC變換器中，對(duì)于低的輸出電壓，即使采用通態(tài)電壓只有0.5V的肖特基二極管作為輸出的整流器件，其輸出壓降造成的損耗亦相當(dāng)可觀。同步整流技術(shù)可有效減小整流損耗，適合同步整流技術(shù)的拓?fù)溆卸喾N形式，其中，采用同步整流的不對(duì)稱半橋變換器具有顯著優(yōu)勢(shì)，下面將對(duì)該變換器的工作原理，同步整流驅(qū)動(dòng)方式的選擇以及同步整流管損耗作詳盡的分析。

1 不對(duì)稱半橋變換器

不對(duì)稱半橋DC/DC變換器是一種采用互補(bǔ)控制技術(shù)的變換器，與對(duì)稱半橋變換器不同，該變換器兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間不相等，而是互補(bǔ)的，“不對(duì)稱”由此而來(lái)。相對(duì)于其他電路拓?fù)洌粚?duì)稱半橋DC/DC變換器具有眾多優(yōu)點(diǎn)，諸如實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)；開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力??；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用元器件少；由于變壓器副邊是中心抽頭型，輸出濾波電感較小。將同步整流技術(shù)與不對(duì)稱半橋變換器結(jié)合使用，可使變換器適合高頻工作，并能獲得很高效率。

不對(duì)稱半橋DC/DC變換器如圖1所示。圖中，S1及S2為主開(kāi)關(guān)；D1及C1和D2及C2分別為S1及S2的寄生元器件；n1及n2分別為兩個(gè)次級(jí)與初級(jí)的匝數(shù)比；SR1及SR2為次級(jí)同步整流管，其工作方式等效于整流二極管；Lr為變壓器漏感；Lm為勵(lì)磁電感，所有的電壓與電流已在圖中標(biāo)出。

圖1 不對(duì)稱半橋DC/DC變換器

為了簡(jiǎn)化分析，作如下假設(shè)：

1）濾波電感足夠大，工作于電流連續(xù)模式；

2）變壓器勵(lì)磁電感和漏感都折算到原邊；

3）開(kāi)關(guān)寄生電容為常量，不隨電壓變化；

4）所有開(kāi)關(guān)管和二極管都是理想的；

5）電容Cp上的電壓在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)保持不變。

1.1 工作原理

設(shè)占空比為D，開(kāi)關(guān)周期為T，S1在DT時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通。一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)S2上的平均電壓為DVin，由于變壓器的平均電壓為零，因此Cp上的電壓也為DVin，可將變換器的工作過(guò)程分為4個(gè)階段，圖2為主要的電壓電流波形。

圖2 主要的電壓電流波形

階段1〔ta～tb〕 主開(kāi)關(guān)管S1開(kāi)通，S2關(guān)斷。此時(shí)勵(lì)磁電流im以Vm/Lm的速率增加，p點(diǎn)電壓vp=Vin(1－D)；圖中it=n1iSR1－n2iSR2為變壓器次級(jí)繞組反射到初級(jí)的電流，流過(guò)初級(jí)繞組的電流ip=im＋it；

階段2〔tb～tc〕 主開(kāi)關(guān)管S1及S2都關(guān)斷，S2的ZVS過(guò)程開(kāi)始；

階段3〔tc～td〕 主開(kāi)關(guān)管S2開(kāi)通，S1關(guān)斷。此時(shí)勵(lì)磁電流以|Vm|/Lm的速率減小，p點(diǎn)電壓vp=－VinD；

階段4〔td～te〕 主開(kāi)關(guān)管S1及S2都關(guān)斷，S1的ZVS過(guò)程開(kāi)始。

1.2 ZVS分析

S1和S2的ZVS過(guò)程是相似的，所以，這里只對(duì)S2的ZVS過(guò)程作分析，該過(guò)程〔tb～tc〕也有4個(gè)工作模態(tài)。

模態(tài)1 圖1中主開(kāi)關(guān)管S1關(guān)斷，此時(shí)S2，D1，D2和SR2都處于關(guān)斷狀態(tài)，僅SR1導(dǎo)通。電容C2放電，電壓線性下降；C1充電，電壓線性上升。p點(diǎn)電壓vp線性下降，m點(diǎn)電壓vm也線性下降，由于電壓vm仍然是正向的，因而im繼續(xù)增大，但速率會(huì)下降。當(dāng)vp減小到零時(shí)，im增大到最大值，整流管SR2導(dǎo)通，此工作模態(tài)結(jié)束。如圖3(a)所示。

模態(tài)2 整流管SR1及SR2導(dǎo)通，S1，S2，D1，D2關(guān)斷。此時(shí)，電容C1及C2和漏感Lr開(kāi)始諧振，C2上的電壓繼續(xù)下降，vp轉(zhuǎn)為負(fù)值。由于SR1及SR2導(dǎo)通，vm和vf為零，勵(lì)磁電流im保持不變。在次級(jí)，iSR2增大，同時(shí)iSR1減小，因而it=n1iSR1－n2iSR2下降。當(dāng)it下降到零時(shí)，此模態(tài)結(jié)束。如圖3(b)所示。

模態(tài)3 SR1及SR2仍導(dǎo)通，S1，S2，D1，D2仍關(guān)斷，電容C1及C2和漏感Lr繼續(xù)諧振。此時(shí)it已經(jīng)換向，當(dāng)C2上電壓下降為零時(shí)，D2導(dǎo)通，該模態(tài)結(jié)束。此時(shí)導(dǎo)通S2，S2為零電壓開(kāi)通。如圖3(c)所示。

模態(tài)4 S2，D2，SR1，SR2導(dǎo)通，S1及D1關(guān)斷。此時(shí)漏感上電壓為－VinD，ip線性下降，it反向增大，當(dāng)it反向增大到n2iSR2時(shí)，SR1關(guān)斷。如圖3(d)所示。

（a） 模態(tài)1

（b） 模態(tài)2

（c） 模態(tài)3

（d） 模態(tài)4

圖3 S2的ZVS過(guò)程