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基于ZVS半桥变换器磁集成探究摘要：利用平面磁集成技术把分立的谐振电感和 变压器布置在同一平面磁芯上来减小开关电源中磁件的数 量和体积本文主要讨论集成的zvs半桥变换器的工作原理, 设计并研究谐振电感和变压器的集成方案通过仿真和仿真 结果来证明本方案的可行性和正确性关键词：平面磁集成；开关电源；半桥变换器1.引言电力电子技术的应用在不断的成熟发展，低损耗、高可 靠性、高频化已经成为开关电源变换器的发展方向生产短、 小、轻、薄的开关电源是每个开关电源制造商的目标要实 现以上的目标的重要因素要有高频化的开关频率开关电源 如果具备高频化可以带来许多优势例如：可以使低次谐波 输出减少；噪声降低；输出波形逼近正弦波等然而开关频 率不能太高，制约它的因素有以下几方面：（1）频率越大开 关损耗就越大；（2）由于开关在通断的时候会引起电流尖峰 和电压尖峰，容易导致开关电压和电流产生突变，确保不了 开关电源的运行的稳定性能，同时还会减少其工作年限；（3） 二极管由开到断的过程中，有一段时间叫做反向恢复时间， 此期间二极管继续在导通状态，如此期间开关管导通，会造 成直流电源的瞬间短路，生成巨大的冲击电流，这样会导致 二极管以及开关管的能耗短时间内迅速升高，甚至会破坏元件[1]。

2 .集成变换器的工作性能分析 软开关技术没有在AC-DC变换器中得到广泛的使用，硬状态时很多开关管的绝大多数的工作状态，这样是会降低它 的工作年限，还会减少变换器的工作效率这里重新设计了 以往的板桥变化器，把两个谐振电容和开关管进行并联，将 谐振电感加入变压器原边处[2] [3]o此时电感和变压器设计同一电路中，平面磁集成技术将二者融合在一起，如图1所 示为其简化的等效电路图将变换器重新设计改造后，不计较输入端和输出端的一系列因素，例如，过压保护，过流保护等图1的S1与S2 都是理想开关管，si、S2交替导通，占空比低于50%分压 电容等于Cl、C2,谐振的电容值是两个值相等的C3、C4, 谐振的电感值是Lr1)工作模态A[t0-tl]当处于to时之前，开关管S2已经处于断开当经过死 区时间后，从t0开始开关管S1就导通了，因为S1与C3并 联，C3上的电压在死区时等于0,因此这就是S1的0电压 导通，这里会在D工作阶段的时候进行详细表述如果S1 被打开，会发现电压是0的C3vin为C4的输入电压恰 好这时在变压器的两端会出现变化，发生正向变大的情况， 此时的副边会出现二极管D2开通的情况。

在此过程中会发 现原边电流其实是谐振电流衍生而来，将能量源源不断传递 给副边，接受电源的能量传递如果此时的模态是发生tl,此刻正是S1在断开的时候, 串联谐振的产生正好发生在谐振电容、电感两者之间，C4会 源源不断对外界的放电，相反C3会接受它产生的电此时 C4生成的uc4也会慢慢的减小，直到减小为Oo在电容C3 两端产生的电压uc3,相反上升最后为vin原因是S1处于 导通过程中，C3的电压一直为0,因此，无论什么时候将S1 断开，全是零电关断这时D2随S1断开而关断死区时间 就是当S2处于导通前的时间，DI、D2全处于不通状态，C0 所生成的能量全部都给了负载，C3、C4、vin以及Lr正好形 成了一条密封的回路3.集成磁件设计如图3所示，平面EE型磁芯的三个磁柱全存在气隙， 左、右柱上分别缠绕着谐振电感，磁芯的中柱上围绕着变压 器的原边和副边线圈三个磁柱留出间隙均匀的气隙原边 的绕组是a-b,副边的绕组是d-e-f,谐振电感的绕组是b-c 这里面谐振电感绕组由两部分构成，一个边柱上绕一个，还 有这两个绕组的匝数是一样的此时左边柱的磁通为巾3； 右磁柱的磁通为64；而原边绕组和副边绕组产生的向下的 磁通分别为61、6 2。

图3EE磁芯型集成结构谐振电感的两绕组间的中柱的磁通的方向的处于相反 的，而大小是一样的因此，变压器和谐振电感构成了解耦 集成，也就是谐振电感与变压器不发生冲突这时的磁通 4>1、4>2和图中所示的左侧的巧3的磁通方向是相同的，却 与右侧的64的磁通方向不一样由此可以推出左边生成的 磁通一定大于右边综上所述，无论是变压器的原边绕组还 是其副边绕组，它们都没有耦合于谐振电感绕组［4］变压器原边绕组、副边绕组和谐振电感绕组都使用平面 铜箔磁件样机4.仿真与实验验证4. 1磁场仿真采取Maxwel 1仿真软件对磁芯型集成结构仿真很明显 看以看出，磁芯左、中柱与右侧柱的比较可知，前两项都大 于右侧柱，此结果和预期所分析的结果吻合4.2电路仿真这里使用的仿真软件是saber,以此来进行ZVS半桥变 换器电路的仿真这里将软件的仿真参数做适当的规定， vin=310V；输出电压vO=48V；开关频率f=100kHz；谐振电 容 C3=C4=500pF；谐振电感 Lr=56uH；死区时间 Td=O. 5uso 如图4所示为谐振电感的电流波形图，如图5所示为C3两 端电压和S1的驱动电压波形图图4谐振电感中电流波形 图5C3两端电压与S1的驱动电压波形谐振电感电流波形与预期表述完全相同，如图6所示。

如图7可知，当开关管S1没有关断的时候，和其并联在一 起的电容C3的两端电压降低为0,因此当S1为零电压导通 当S1处于开通状态后，C3电压一直为0,因此当关闭S1时 为零电压关断如图4、图5所示，从以上仿真结果就可以得出集成后ZVS半桥变换器预期与实验结果是相同的，证明实验的可靠 性与可行性4.3实验波形如果把48伏电压值给定作为输出电压，此时将350W作为输出的功率，此时变换器运行在满载阶段中，不仅显示了S1两端电压的波形图，并且还表现了驱动电压的波形图从仿真结果图中，可以看出S1的端电压波形在处于上面的位 置，驱动电压波形位于此仿真波形的下面一条线S1的开关 电压此时为0,结果验证了此方案的可实施性以及合理性结论本文把软开关技术和平面磁集成技术整合在一起在传 统的半桥变换器中使用开关管的开关损耗降低的方法可以 采取软开关技术，使得变换器效率升高要想把变压器及谐 振电感整合一个磁芯上，使用平面磁集成技术是一个较好的 选择，不但可以降低变换器磁件数量，更能使变换器体积以 及重量变小作者单位：辽宁轨道交通职业学院）。