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1、不对称半桥反激变换器的设计 摘要：为了提高充电器效率和简化电路结构，采用不对称半桥反激式变换器作为锂电池充电器的主电路，详细分析不对称半桥反激变换器的工作原理和软开关条件，给出主电路参数之间的关系式，并利用关系式设计150W样机进行实验验证；实验结果说明，所有功率器件均实现了软开关。采用不对称半桥反激变换器设计的锂电池充电器具有结构简单，效率高，电磁干扰小的优点。关键词：不对称半桥；反激变换器；ZVS；软开关条件中图分类号：TN720?34文献标识码：A文章编号：1004?373X202114?0149?030引言传统的反激变换器由于结构简单，本钱低等特点在充电器设计中得到了广泛应用，然而由于
2、反激变换器的开关元件工作在硬开关状态，效率低，EMI干扰大【1】，因此不适合于大功率场合的应用。不对称半桥变换器是一种新型的软开关变换器，效率高，EMI干扰小，但是结构较为复杂，并且变压器容易出现偏磁而导致损坏。不对称半桥反激变换器结合了反激变换器及不对称半桥的优点，利用变压器的漏感与隔值电容的谐振，使得原边开关管实现了ZVS，副边二极管工作于ZCS状态，因此开关损耗和EMI干扰得到了大幅度的减小，并且由于变压器工作于反激状态，克服了不对称半桥变换器偏磁的缺点，使得不对称半桥反激变换器受到了学者的关注。本文对不对称半桥反激的工作原理及参数设计进行了详细分析，并设计了150W的实验样机，对不对称
3、半桥反激变换器的参数设计及性能进行了验证。1不对称反激半桥变换器的工作原理分析1.1变换器工作模态分析不对称半桥反激变换器的结构图【2】如图1所示，该图中Vin为直流输入电压；开关管Q1和Q2为变换器中半桥结构的2个开关管，Q1，Q2为互补驱动，DS1和DS2分别为开关管Q1和Q2的体二极管；CS1和CS2为开关管Q1和Q2的寄生电容；Cr为隔直电容；Lm为励磁电感，Lr为变压器漏感，变压器的变比为n；输出端D为副边整流二极管，C为输出滤波电容，R为负载。图1不对称半桥反激变换器的结构图不对称半桥反激变换器的工作波形如图2所示，在一个开关周期中，不对称半桥反激变换器有6种状态【3】。图2不对称
4、半桥反激变换器的工作波形状态1t0t1：当t=t0时，变换器上管Q1导通，Q2断开，Q2的D?S间电压为Vin，变压器原边电压为正，副边二极管反偏截止；此时Lr和Lm串联，在输入电压作用下，电流线性上升，变压器存储磁场能量。输出滤波电容向负载提供能量。状态2t1t2：当t=t1时，Q1关断，由于ir为正，此时，ir将给Q1的寄生电容Cs1充电，给Q2的寄生电容Cs2放电，使得Q1的D?S间电压Vds1线性上升，Q2的D?S间电压Vds2线性下降。当t=t2时，Vds2下降到零。状态3t2t3：当t=t2时，Vds2下降到零，而ir为正，因此，Q2的寄生二极管Ds2导通，此时假设施加驱动信号于Q
5、2的栅极，Q2将实现零电压开通，即ZVS。当Vds2下降到零，变压器激磁电感两端电压将反向，副边二极管D将正偏导通，Lm两端的电压将箝位在nVo。变压器的漏感Lr与隔值电容Cr发生谐振，存储在励磁电感中的能量将向副边传递，由于副边电流的存在，原边电流ir与励磁电感电流im不相等。状态4t3t4：当t=t3时，施加驱动信号于Q2的栅极，Q2零电压开通，原边漏感Lr与Cr谐振，输出电路维持导通，输出电流iD开始增加。状态5t4t5：当t=t4时，Q2关断，为了防止防止Q1，Q2直通，在Q1与Q2驱动信号之间需要参加死区时间。在死区时间内，原边电流给Q1，Q2的寄生电容进行充放电，以实现软开关，因此
6、死区时间必须大于Q1，Q2寄生电容的充放电时间，以保证Q1，Q2能实现软开关，能够实现零电压开通的的最小死区时间为：tdeadmaxCsVinirt1，CsVinirt4当Q1，Q2的寄生电容充放电完毕，而Q1，Q2的栅极仍未施加驱动信号时，原边电流将通过Q1，Q2的体二极管流动，即状态3和状态6，由于Mosfet的体二极管的压降通常比较大，将造成较大的损耗，因此需要合理选择死区时间，尽量缩短状态3和状态6的时间。2参数计算1在整个变换器中个，变压器参数的设计是关键，对于磁性元件，应满足伏秒积分平衡法那么，即励磁电压和时间的乘积等于去磁电压和时间的乘积，即：Vin-VcrLmLm+LrDTs=
7、nVo1-DTs3由于电容电压不能突变，因此在稳态工作时，隔值电容上的电压根本保持固定，即：Vcr=DVin，因此变压器匝比为：n=DVinLmVoLm+Lr4由电磁感应定律可得变压器原边匝数为：Np=VinD1-DAeBfs因此副边匝数为：Ns=Npn2隔值电容的选取。当Q1关断后，谐振电感与隔值电容发生谐振，整个Q1关断间隔时间大约等于半个谐振周期，因此有：LrCr=1-DminTs解上式可得：Cr=1-Dmin2T2s2Lr3实验验证根据上述的参数设计方法，设计了150W的充电器，输入电压为Vin=390V，输出电压为Vo=24V，输出电流为Io=6A，开关频率为65kHz，Lr=32H
8、，Lm=750H，Cr=3.3F，变压器采用PQ32/30磁芯，采用L6591为控制芯片。图3为Q2的驱动波形及DS的波形，Q1，Q2之间留有一定的死区时间。从波形中可见，Q2导通前，其DS电压已经下降到零，Q1，Q2均实现了ZVS。图4为二极管电流与电压波形，从图中可见，二极管关断前电流已经下降到零，副边二极管实现了ZCS。图3Q2驱动波形及DS波形图4整流二极管电压与电流波形4结语针对反激变换器开关损耗大，电磁干扰大的特点，将传统反激变换器与不对称半桥相结合，研究设计了一种不对称半桥反激变换器为主电路的锂电池充电器；分析不对称半桥反激变换器的工作原理和实现软开关的条件，给出了参数设计方法。
9、实验结果说明，上述设计方法?jetprinterC/37thIEEEPowerElectronicsSpecialistsConference.S.l.：IEEE，2021：1?7.【2】LINBor?Ren，YANGChengchang.Analysis，DesignandImplementationofanasymmetricalhalf?bridgeconverterC/Proceedingsof2004IEEEInternationalConferenceonIndustrialTechnology.S.l.：IEEE，2021：1209?flybackconverterJ.IEEProceedingsofElectricPowerApplications，2021，149：433?方法J.现代电子技术，2021，366：164?166.【5】刘鑫，王卫国，刘克承，等.星用基于UC1845多路输出双管反激开关电源设计J.现代电子技术，2021，372：159?162.【6】杨树涛，谷加臣，齐利，等.频率计算法设计RCC开关电源J.现代电子技术，2021，3424：199?201.
不对称半桥反激变换器的设计
