半桥电路抗不平衡能力.ppt

3 3 3 3、半桥式、半桥式、半桥式、半桥式DC-DCDC-DCDC-DCDC-DC变换器原理及设计变换器原理及设计变换器原理及设计变换器原理及设计 n n推挽直流变换器开关管承受反向电压至少是电源推挽直流变换器开关管承受反向电压至少是电源电压的两倍，因而大多用于电源电压较低的场合电压的两倍，因而大多用于电源电压较低的场合半桥变换器开关管承受的反向电压为电源电压，半桥变换器开关管承受的反向电压为电源电压，故可在电源电压较高的场合应用半桥变压器是故可在电源电压较高的场合应用半桥变压器是由半桥逆变器、高频变压器和输出整流滤波电路由半桥逆变器、高频变压器和输出整流滤波电路组成，因而也属于直流组成，因而也属于直流- -交流交流- -直流变换器直流变换器n n图图5-265-26给出了输出为全波整流电路的半桥直流变给出了输出为全波整流电路的半桥直流变换器的主电路，图换器的主电路，图5-275-27给出了各点主要波形给出了各点主要波形 图5-26输出为全波整流电路的半桥直流变换器的主电路图5-27输出为全波整流电路的半桥直流变换器主电路各点主要波形n n工作原理工作原理n n由两个相等的电容由两个相等的电容C1C1和和C2C2构成一个桥臂，开关构成一个桥臂，开关管管Q1Q1、、Q2Q2（均含有反并联二极管）构成另一个（均含有反并联二极管）构成另一个桥臂，两个桥臂的中点桥臂，两个桥臂的中点A A、、B B接高频变压器，由接高频变压器，由于电容于电容C1C1和和C2C2较大，其中点较大，其中点B B的电位保持不变，的电位保持不变，且等于且等于V Vinin/2/2。

从另一个角度看，它实际上是两从另一个角度看，它实际上是两个正激变换器的组合，每个正激变换器输入电个正激变换器的组合，每个正激变换器输入电压为压为V Vinin/2 /2 ，输出电压为，输出电压为V Vo o变压器原边绕组匝变压器原边绕组匝数为数为W W1 1，两个副边绕组匝数相等，即，两个副边绕组匝数相等，即W W2121=W=W2222=W=W2 2，图中，图中L Llklk是变压器的漏感是变压器的漏感n n不考变压器虑漏感不考变压器虑漏感n n当当Q Q1 1导通时，变压器原边绕组上电压为导通时，变压器原边绕组上电压为 ，绕组感，绕组感应电势应电势“*”“*”端为端为““正正””极性，故极性，故D DR1R1导通，导通，D DR2R2反偏截止，反偏截止，输出滤波电感电流输出滤波电感电流i iLfLf增长在t=Tt=Tonon时，时，Q1Q1关断，由于电感关断，由于电感电流不能断续，电流不能断续，i iLfLf继续按原方向流动，故副边绕组继续按原方向流动，故副边绕组i is s和原和原边绕组中的电流边绕组中的电流i ip p也仍按原方向流动，也仍按原方向流动，D D2 2续流，因此极性续流，因此极性反转，反转，D DR2R2导通。

由于两个输出整流二极管同时导通，将变导通由于两个输出整流二极管同时导通，将变压器副边电压箝位为零，由变压器原理可知，变压器原边压器副边电压箝位为零，由变压器原理可知，变压器原边电压为零，这时电压为零，这时i ip p=0=0，这时，这时i is1s1=i=is2s2=i=is s/2/2，由于这时变压器，由于这时变压器原边绕阻原边绕阻W W1 1中电流为零，因此中电流为零，因此D D2 2续流停止实际上当续流停止实际上当Q Q1 1关关断时出现负压的时间很短，因此在图中没有画出在死区断时出现负压的时间很短，因此在图中没有画出在死区时间时间[T[Tonon，，T Ts s/2]/2]内，电感电流下降，在内，电感电流下降，在Ts/2Ts/2时刻，时刻，Q2Q2导通，导通， ，变压器绕阻电势，变压器绕阻电势““非非*”*”为正，为正，ipip从零反向增长到从零反向增长到 ，二极管，二极管DR1DR1截止，截止， ，， ，在，在[Ts/2[Ts/2，，Ts]Ts]区间，区间，与上类似与上类似n n电感电流连续时输出电压：n nQ1 、Q2承受的反向电压为输入电源电压；整流二极管承受的反向电压为 ；电感电流的平均值为负载电流Io，通过输出整流二极管的最大电流为 ， 为电感电流脉动量：n n流过功率开关管的最大电流： n n考虑变压器漏感考虑变压器漏感n n在实际应用中，变压器总是存在漏感，由于漏感在实际应用中，变压器总是存在漏感，由于漏感的存在，变换器的工作原理与不考虑漏感时有所的存在，变换器的工作原理与不考虑漏感时有所不同。

图不同图5-27b5-27b给出了半桥变换器考虑变压器漏感给出了半桥变换器考虑变压器漏感时的主要波形时的主要波形n nQ1Q1关断，变压器原边电流不能断续，关断，变压器原边电流不能断续，D2D2由续流，由续流，此时此时 ，输出整流二极管，输出整流二极管D DR2R2导通，这时输导通，这时输出整流二极管出整流二极管DR1DR1还在导通由于两个输出整流二还在导通由于两个输出整流二极管同时导通，将变压器原边电压箝位为零，因极管同时导通，将变压器原边电压箝位为零，因此此 就全部加在变压器漏感上，这个电压使就全部加在变压器漏感上，这个电压使变压器原边电流线性下降，在变压器原边电流线性下降，在t t1 1时刻时刻ipip下降到零，下降到零，此时此时D2D2关断，关断，V Vabab=0=0[T[Tonon，，t1]t1]区间的电压方波区间的电压方波（图中用阴影表示）是变压器原边电流减小到零（图中用阴影表示）是变压器原边电流减小到零所必需的，一般称为复位电压所必需的，一般称为复位电压, ,同样同样Q Q2 2关断时也会关断时也会出现复位电压出现复位电压。

n nQ Q2 2导通，导通， ，此时变压器原边电流从零开始，此时变压器原边电流从零开始反向线性上升，由于变压器漏感限制了它的上升反向线性上升，由于变压器漏感限制了它的上升率，在率，在t2t2时刻之前，输出整流二极管时刻之前，输出整流二极管D DR1R1还没有恢还没有恢复其阻断能力，两个输出整流二极管同时导通，复其阻断能力，两个输出整流二极管同时导通，将变压器副边电压箝位为零，同时也把变压器原将变压器副边电压箝位为零，同时也把变压器原边电压箝位为零，因此边电压箝位为零，因此 就全部加在变压器就全部加在变压器漏感上，这个电压使变压器原边电流线性增加，漏感上，这个电压使变压器原边电流线性增加，在在t2t2时刻输出整流二极管时刻输出整流二极管D DR1R1关断，变压器原边电关断，变压器原边电流线性增加，箝位结束虽然在流线性增加，箝位结束虽然在[Ton/2[Ton/2，，t2]t2]这一这一区间区间 ，但变压器副边电压为零，也就是说，，但变压器副边电压为零，也就是说，变压器副边丢失了变压器副边丢失了[Ton/2[Ton/2，，t2 ]t2 ]时段的电压方波，时段的电压方波，这部分时间与这部分时间与 的比值即占空比丢失的比值即占空比丢失 。

n n通过上述分析，可以看出，漏感带来复位电压和通过上述分析，可以看出，漏感带来复位电压和占空比丢失两个问题要求我们在设计电路时要占空比丢失两个问题要求我们在设计电路时要对最大占空比进行限制，留出复位时间；占空比对最大占空比进行限制，留出复位时间；占空比丢失使有效占空比减小，为了得到所要求的输出丢失使有效占空比减小，为了得到所要求的输出电压，必须减小变压器的原副边匝比，但匝比减电压，必须减小变压器的原副边匝比，但匝比减小会带来两个问题，其一是原边开关电流峰值增小会带来两个问题，其一是原边开关电流峰值增加，通态损耗增加；其二是输出整流二极管的耐加，通态损耗增加；其二是输出整流二极管的耐压值要增加为了减小复位电压时间和占空比丢压值要增加为了减小复位电压时间和占空比丢失，应尽量减小漏感失，应尽量减小漏感n n3 3）电容选取）电容选取n n电容器的值可以从已知的初级电流和工作频率来电容器的值可以从已知的初级电流和工作频率来计算若总输出功率为计算若总输出功率为P PO O（包括变压器损耗），（包括变压器损耗），工作频率为工作频率为f f，占空比，占空比 ，半周期为，半周期为Ts/2Ts/2，则初，则初级平均电流为级平均电流为n n当当Q1Q1导通，初级电流流入导通，初级电流流入B B点，当点，当Q2Q2导通，则从导通，则从B B点取出电流，在半个周期内由电容点取出电流，在半个周期内由电容C1C1、、C2C2补充电补充电荷损失。

在半个周期内电容上的电压变化为：荷损失在半个周期内电容上的电压变化为：n n在实际应用中，在实际应用中，C1=C2=CC1=C2=C，则上式可写为：，则上式可写为：n n电容上直流电压变化率与输出整流电压变化率是相同的，因此输出纹波系数为：n n为了满足输出纹波要求，C则为：n n实际应用中，一般将滤波电容和分压电容分别设置，滤波电容取几百到几千微法的电解电容，分压电容常取几个微法的无极性电容半桥仿真半桥仿真n n4)4)半桥电路抗不平衡能力分析半桥电路抗不平衡能力分析n n半桥电路具有较强的抗偏磁能力，即在主电路不平衡条件半桥电路具有较强的抗偏磁能力，即在主电路不平衡条件下仍能维持高频变压器磁通对称在分析这个结论之前，下仍能维持高频变压器磁通对称在分析这个结论之前，作下述假设：作下述假设：n n只研究导通和截止的稳态过程而不考虑开通和关断的瞬态只研究导通和截止的稳态过程而不考虑开通和关断的瞬态过程；过程；n n输入直流电压恒定；输入直流电压恒定；n n功率开关用理想开关和串联等效电阻功率开关用理想开关和串联等效电阻R R1 1、、R R2 2表示，电阻表示，电阻R R1 1、、R R2 2表示功率开关管饱和压降不同；表示功率开关管饱和压降不同；n n高频变压器用低频等效电路表示，忽略漏感和励磁电感，高频变压器用低频等效电路表示，忽略漏感和励磁电感，变压器直流等效电组用变压器直流等效电组用R R0 0表示，变压器二次侧负载折合到表示，变压器二次侧负载折合到一次侧用一次侧用RL’RL’表示，表示， ；；n n通过上述假设，图通过上述假设，图5-265-26半桥式变换器原理图可等效为图半桥式变换器原理图可等效为图5-5-28(a)28(a)。

当开关当开关Q Q1 1闭合，闭合，Q Q2 2断开时，断开时，C C2 2充电，充电，C C1 1放电，充放放电，充放电电流分别用和表示，如图电电流分别用和表示，如图5-28(b)5-28(b)所示当开关所示当开关Q Q1 1断开，断开，Q Q2 2闭合时，闭合时，C C1 1充电，充电，C C2 2放电，充放电电流分别用和表示，放电，充放电电流分别用和表示，如图如图5-28(c)5-28(c)所示图5-28 半桥式变换器原理图等效电路n n当当Q1Q1闭合，闭合，Q2Q2断开时，设断开时，设C1C1、、C2C2的初始电压为的初始电压为U U1 1(0)(0)和和U U2 2(0) (0) ，由回路电流法写出回路复变量电，由回路电流法写出回路复变量电压方程：压方程：n n解上式并拉氏反变换得：解上式并拉氏反变换得：n n高频变压器高频变压器 电压为电压为: :n n当当Q2Q2闭合，闭合，Q1Q1断开时，设断开时，设C1C1、、C2C2的初始电压为的初始电压为U1’(0)U1’(0)和和U2’(0) U2’(0) ，，充放电电流分别用充放电电流分别用i’ i’1 1和和i’ i’2 2表表示示由回路电流法写出回路复变量电压方程：由回路电流法写出回路复变量电压方程：n n解上式并拉氏反变换得：解上式并拉氏反变换得：n n高频变压器高频变压器u uABAB电压为电压为: :n n在稳定工作时，开关在稳定工作时，开关Q1Q1、、Q2Q2交替导通，设交替导通，设Q1Q1闭合，闭合，Q2Q2断开时点电位断开时点电位B B电位由上升到，并在电位由上升到，并在Q1Q1断开时间断开时间里保持不变；当开关里保持不变；当开关Q1Q1断开，断开，Q2Q2闭合时点电位由闭合时点电位由下降，并在下降，并在Q2Q2断开时间里保持不变，显然初始条断开时间里保持不变，显然初始条件有：件有：n n解得解得 n n分别代入分别代入高频变压器uAB电压n n分别计算在开关Q1、Q2交替导通时加在变压器的伏秒积： 4 4 、全桥、全桥DC-DCDC-DC变换器原理变换器原理 n n全桥变换器原理图及波形如图所示。

全桥变换器全桥变换器原理图及波形如图所示全桥变换器中中4 4个功率管只承受电源电压，与推挽变换器相个功率管只承受电源电压，与推挽变换器相比，多用了比，多用了2 2个功率管个功率管n n从图可以看出，全桥变换器功率管的开关过程：从图可以看出，全桥变换器功率管的开关过程：SW1SW1、、SW2SW2（或（或SW3SW3、、SW4SW4）同时开关，这两对管子）同时开关，这两对管子互补导通为了防止直通现象，设置有一死区，互补导通为了防止直通现象，设置有一死区，死区期间死区期间4 4个管子都不导通个管子都不导通n n输出电压：输出电压：n n全桥变换器充分利用了变压器传递能量的能力，全桥变换器充分利用了变压器传递能量的能力，是大功率是大功率DC-DCDC-DC变换器的理想电路变换器的理想电路n n全桥变换器也有明显的缺点，如直通问题；偏磁全桥变换器也有明显的缺点，如直通问题；偏磁问题等图5-29 全桥变换器原理图及波形n n所谓偏磁问题是指变压器磁芯的工作磁滞回线中所谓偏磁问题是指变压器磁芯的工作磁滞回线中心点偏离了坐标远点，变压器正反向脉冲过程中心点偏离了坐标远点，变压器正反向脉冲过程中磁通不对称现象。

磁通不对称现象n n造成偏磁的原因主要有功率管的饱和导通压降不造成偏磁的原因主要有功率管的饱和导通压降不一致、导通时间（功率管从关断到导通的时间）一致、导通时间（功率管从关断到导通的时间）和关断时间不一致以及加在变压器上的正负脉冲和关断时间不一致以及加在变压器上的正负脉冲电压宽度不一致等原因所造成的电压宽度不一致等原因所造成的n n偏磁在全桥变换器中是必然现象偏磁发生时，偏磁在全桥变换器中是必然现象偏磁发生时，可通过电流母线来观察，可以发现流过母线的相可通过电流母线来观察，可以发现流过母线的相邻电流脉冲信号幅度不相等也就是说流过、和、邻电流脉冲信号幅度不相等也就是说流过、和、的电流不相等在电路设计中，一般都假定流过、的电流不相等在电路设计中，一般都假定流过、和、的电流相等，两组功率管分担了输出能量，和、的电流相等，两组功率管分担了输出能量，如果偏磁严重就会造成功率管的损坏如果偏磁严重就会造成功率管的损坏n n全桥变换器必须有抗偏磁电路，否则全桥变换器全桥变换器必须有抗偏磁电路，否则全桥变换器几乎无法可靠工作实际应用中，常使用变压器几乎无法可靠工作实际应用中，常使用变压器原边串联电容的方法或使用电流型原边串联电容的方法或使用电流型PWMPWM控制器来减控制器来减弱偏磁危害。