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推挽直流推挽直流变换变换器开关管承受反向器开关管承受反向电压电压至少是至少是电电源源电压电压的两倍，因而大多用于的两倍，因而大多用于电电源源电压较电压较低的低的场场合。合。半半桥变换桥变换器开关管承受的反向器开关管承受的反向电压为电电压为电源源电压电压，故可在故可在电电源源电压较电压较高的高的场场合合应应用。半用。半桥变压桥变压器是器是由半由半桥桥逆逆变变器、高器、高频变压频变压器和器和输输出整流出整流滤滤波波电电路路组组成，因而也属于直流成，因而也属于直流- -交流交流- -直流直流变换变换器。器。n n图图5-265-26给给出了出了输输出出为为全波整流全波整流电电路的半路的半桥桥直流直流变变换换器的主器的主电电路，路，图图5-275-27给给出了各点主要波形。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由两个相等的由两个相等的电电容容C1C1和和C2C2构成一个构成一个桥桥臂，开关臂，开关管管Q1Q1、Q2Q2（均含有反并（均含有反并联联二极管）构成另一个二极管）构成另一个桥桥臂，两个臂，两个桥桥臂的中点臂的中点A A、B B接高接高频变压频变压器，由器，由于于电电容容C1C1和和C2C2较较大，其中点大，其中点B B的的电电位保持不位保持不变变，且等于且等于V Vinin/2/2。从另一个角度看，它。从另一个角度看，它实际实际上是两上是两个正激个正激变换变换器的器的组组合，每个正激合，每个正激变换变换器器输输入入电电压为压为V Vinin/2 /2 ，输输出出电压为电压为V Vo o。变压变压器原器原边绕组边绕组匝匝数数为为W W1 1，两个副，两个副边绕组边绕组匝数相等，即匝数相等，即W W2121=W=W2222=W=W2 2，图图中中L Llklk是是变压变压器的漏感。器的漏感。n n不考不考变压变压器器虑虑漏感漏感n n当当Q Q1 1导导通通时时，变压变压器原器原边绕组边绕组上上电压为电压为 ，绕组绕组感感应电势应电势“*”“*”端端为为“正正”极性，故极性，故D DR1R1导导通，通，D DR2R2反偏截止，反偏截止，输输出出滤滤波波电电感感电电流流i iLfLf增增长长。在。在t=Tt=Tonon时时，Q1Q1关断，由于关断，由于电电感感电电流不能断流不能断续续，i iLfLf继续继续按原方向流按原方向流动动，故副，故副边绕组边绕组i is s和原和原边绕组边绕组中的中的电电流流i ip p也仍按原方向流也仍按原方向流动动，D D2 2续续流，因此极性流，因此极性反反转转，D DR2R2导导通。由于两个通。由于两个输输出整流二极管同出整流二极管同时导时导通，将通，将变变压压器副器副边电压边电压箝位箝位为为零，由零，由变压变压器原理可知，器原理可知，变压变压器原器原边边电压为电压为零，零，这时这时i ip p=0=0，这时这时i is1s1=i=is2s2=i=is s/2/2，由于，由于这时变压这时变压器器原原边绕边绕阻阻W W1 1中中电电流流为为零，因此零，因此D D2 2续续流停止。流停止。实际实际上当上当Q Q1 1关关断断时时出出现负压现负压的的时间时间很短，因此在很短，因此在图图中没有画出。在死区中没有画出。在死区时间时间TTonon，T Ts s/2/2内，内，电电感感电电流下降，在流下降，在Ts/2Ts/2时时刻，刻，Q2Q2导导通，通， ，变压变压器器绕绕阻阻电势电势“非非*”*”为为正，正，ipip从零反向增从零反向增长长到到 ，二极管，二极管DR1DR1截止，截止， ， ，在，在Ts/2Ts/2，TsTs区区间间，与上与上类类似。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考考虑变压虑变压器漏感器漏感n n在在实际应实际应用中，用中，变压变压器器总总是存在漏感，由于漏感是存在漏感，由于漏感的存在，的存在，变换变换器的工作原理与不考器的工作原理与不考虑虑漏感漏感时时有所有所不同。不同。图图5-27b5-27b给给出了半出了半桥变换桥变换器考器考虑变压虑变压器漏感器漏感时时的主要波形。的主要波形。n nQ1Q1关断，关断，变压变压器原器原边电边电流不能断流不能断续续，D2D2由由续续流，流，此此时时 ，输输出整流二极管出整流二极管D DR2R2导导通，通，这时输这时输出整流二极管出整流二极管DR1DR1还还在在导导通。由于两个通。由于两个输输出整流二出整流二极管同极管同时导时导通，将通，将变压变压器原器原边电压边电压箝位箝位为为零，因零，因此此 就全部加在就全部加在变压变压器漏感上，器漏感上，这这个个电压电压使使变压变压器原器原边电边电流流线线性下降，在性下降，在t t1 1时时刻刻ipip下降到零，下降到零，此此时时D2D2关断，关断，V Vabab=0=0。TTonon，t1t1区区间间的的电压电压方波方波（图图中用阴影表示）是中用阴影表示）是变压变压器原器原边电边电流减小到零流减小到零所必需的，一般称所必需的，一般称为为复位复位电压电压, ,同同样样Q Q2 2关断关断时时也会也会出出现现复位复位电压电压。n nQ Q2 2导导通，通， ，此，此时变压时变压器原器原边电边电流从零开始流从零开始反向反向线线性上升，由于性上升，由于变压变压器漏感限制了它的上升器漏感限制了它的上升率，在率，在t2t2时时刻之前，刻之前，输输出整流二极管出整流二极管D DR1R1还还没有恢没有恢复其阻断能力，两个复其阻断能力，两个输输出整流二极管同出整流二极管同时导时导通，通，将将变压变压器副器副边电压边电压箝位箝位为为零，同零，同时时也把也把变压变压器原器原边电压边电压箝位箝位为为零，因此零，因此 就全部加在就全部加在变压变压器器漏感上，漏感上，这这个个电压电压使使变压变压器原器原边电边电流流线线性增加，性增加，在在t2t2时时刻刻输输出整流二极管出整流二极管D DR1R1关断，关断，变压变压器原器原边电边电流流线线性增加，箝位性增加，箝位结结束。束。虽虽然在然在Ton/2Ton/2，t2t2这这一一区区间间 ，但，但变压变压器副器副边电压为边电压为零，也就是零，也就是说说，变压变压器副器副边丢边丢失了失了Ton/2Ton/2，t2 t2 时时段的段的电压电压方波，方波，这这部分部分时间时间与与 的比的比值值即占空比即占空比丢丢失失 。n n通通过过上述分析，可以看出，漏感上述分析，可以看出，漏感带带来复位来复位电压电压和和占空比占空比丢丢失两个失两个问题问题。要求我。要求我们们在在设计电设计电路路时时要要对对最大占空比最大占空比进进行限制，留出复位行限制，留出复位时间时间；占空比；占空比丢丢失使有效占空比减小，失使有效占空比减小，为为了得到所要求的了得到所要求的输输出出电压电压，必，必须须减小减小变压变压器的原副器的原副边边匝比，但匝比减匝比，但匝比减小会小会带带来两个来两个问题问题，其一是原，其一是原边边开关开关电电流峰流峰值值增增加，通加，通态损态损耗增加；其二是耗增加；其二是输输出整流二极管的耐出整流二极管的耐压值压值要增加。要增加。为为了减小复位了减小复位电压时间电压时间和占空比和占空比丢丢失，失，应应尽量减小漏感。尽量减小漏感。n n3 3）电电容容选选取取n n电电容器的容器的值值可以从已知的初可以从已知的初级电级电流和工作流和工作频频率来率来计计算。若算。若总输总输出功率出功率为为P PO O（包括（包括变压变压器器损损耗），耗），工作工作频频率率为为f f，占空比，占空比 ，半周期，半周期为为Ts/2Ts/2，则则初初级级平均平均电电流流为为n n当当Q1Q1导导通，初通，初级电级电流流入流流入B B点，当点，当Q2Q2导导通，通，则则从从B B点取出点取出电电流，在半个周期内由流，在半个周期内由电电容容C1C1、C2C2补补充充电电荷荷损损失。在半个周期内失。在半个周期内电电容上的容上的电压变电压变化化为为：n n在在实际应实际应用中，用中，C1=C2=CC1=C2=C，则则上式可写上式可写为为：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)半半桥电桥电路抗不平衡能力分析路抗不平衡能力分析n n半半桥电桥电路具有路具有较强较强的抗偏磁能力，即在主的抗偏磁能力，即在主电电路不平衡条件路不平衡条件下仍能下仍能维维持高持高频变压频变压器磁通器磁通对对称。在分析称。在分析这这个个结论结论之前，之前，作下述假作下述假设设：n n只研究只研究导导通和截止的通和截止的稳态过稳态过程而不考程而不考虑虑开通和关断的瞬开通和关断的瞬态态过过程；程；n n输输入直流入直流电压电压恒定；恒定；n n功率开关用理想开关和串功率开关用理想开关和串联联等效等效电电阻阻R R1 1、R R2 2表示，表示，电电阻阻R R1 1、R R2 2表示功率开关管表示功率开关管饱饱和和压压降不同；降不同；n n高高频变压频变压器用低器用低频频等效等效电电路表示，忽略漏感和励磁路表示，忽略漏感和励磁电电感，感，变压变压器直流等效器直流等效电组电组用用R R0 0表示，表示，变压变压器二次器二次侧负载侧负载折合到折合到一次一次侧侧用用RLRL表示，表示， ；n n通通过过上述假上述假设设，图图5-265-26半半桥桥式式变换变换器原理器原理图图可等效可等效为图为图5-5-28(a)28(a)。当开关。当开关Q Q1 1闭闭合，合，Q Q2 2断开断开时时，C C2 2充充电电，C C1 1放放电电，充放，充放电电电电流分流分别别用和表示，如用和表示，如图图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闭闭合合时时，C C1 1充充电电，C C2 2放放电电，充放，充放电电电电流分流分别别用和表示，用和表示，如如图图5-28(c)5-28(c)所示。所示。图5-28 半桥式变换器原理图等效电路n n当当Q1Q1闭闭合，合，Q2Q2断开断开时时，设设C1C1、C2C2的初始的初始电压为电压为U U1 1(0)(0)和和U U2 2(0) (0) ，由回路，由回路电电流法写出回路复流法写出回路复变变量量电电压压方程：方程：n n解上式并拉氏反解上式并拉氏反变换变换得：得：n n高高频变压频变压器器 电压为电压为: :n n当当Q2Q2闭闭合，合，Q1Q1断开断开时时，设设C1C1、C2C2的初始的初始电压为电压为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 i1 1和和i i2 2表表示示由回路由回路电电流法写出回路复流法写出回路复变变量量电压电压方程：方程：n n解上式并拉氏反解上式并拉氏反变换变换得：得：n n高高频变压频变压器器u uABAB电压为电压为: :n n在在稳稳定工作定工作时时，开关，开关Q1Q1、Q2Q2交替交替导导通，通，设设Q1Q1闭闭合，合，Q2Q2断开断开时时点点电电位位B B电电位由上升到，并在位由上升到，并在Q1Q1断开断开时间时间里保持不里保持不变变；当开关；当开关Q1Q1断开，断开，Q2Q2闭闭合合时时点点电电位由位由下降，并在下降，并在Q2Q2断开断开时间时间里保持不里保持不变变，显显然初始条然初始条件有：件有：n n解得解得 n n分分别别代入代入高频变压器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全全桥变换桥变换器原理器原理图图及波形如及波形如图图所示。全所示。全桥变换桥变换器器中中4 4个功率管只承受个功率管只承受电电源源电压电压，与推挽，与推挽变换变换器相器相比，多用了比，多用了2 2个功率管。个功率管。n n从从图图可以看出，全可以看出，全桥变换桥变换器功率管的开关器功率管的开关过过程：程：SW1SW1、SW2SW2（或（或SW3SW3、SW4SW4）同）同时时开关，开关，这这两两对对管子管子互互补导补导通。通。为为了防止直通了防止直通现现象，象，设设置有一死区，置有一死区，死区期死区期间间4 4个管子都不个管子都不导导通。通。n n输输出出电压电压：n n全全桥变换桥变换器充分利用了器充分利用了变压变压器器传递传递能量的能力，能量的能力，是大功率是大功率DC-DCDC-DC变换变换器的理想器的理想电电路。路。n n全全桥变换桥变换器也有明器也有明显显的缺点，如直通的缺点，如直通问题问题；偏磁；偏磁问题问题等。等。图5-29 全桥变换器原理图及波形n n所所谓谓偏磁偏磁问题问题是指是指变压变压器磁芯的工作磁滞回器磁芯的工作磁滞回线线中中心点偏离了坐心点偏离了坐标远标远点，点，变压变压器正反向脉冲器正反向脉冲过过程中程中磁通不磁通不对对称称现现象。象。n n造成偏磁的原因主要有功率管的造成偏磁的原因主要有功率管的饱饱和和导导通通压压降不降不一致、一致、导导通通时间时间（功率管从关断到（功率管从关断到导导通的通的时间时间）和关断和关断时间时间不一致以及加在不一致以及加在变压变压器上的正器上的正负负脉冲脉冲电压宽电压宽度不一致等原因所造成的。度不一致等原因所造成的。n n偏磁在全偏磁在全桥变换桥变换器中是必然器中是必然现现象。偏磁象。偏磁发发生生时时，可通可通过电过电流母流母线线来来观观察，可以察，可以发现发现流流过过母母线线的相的相邻电邻电流脉冲信号幅度不相等。也就是流脉冲信号幅度不相等。也就是说说流流过过、和、和、的的电电流不相等。在流不相等。在电电路路设计设计中，一般都假定流中，一般都假定流过过、和、的和、的电电流相等，两流相等，两组组功率管分担了功率管分担了输输出能量，出能量，如果偏磁如果偏磁严严重就会造成功率管的重就会造成功率管的损损坏。坏。n n全全桥变换桥变换器必器必须须有抗偏磁有抗偏磁电电路，否路，否则则全全桥变换桥变换器器几乎无法可靠工作。几乎无法可靠工作。实际应实际应用中，常使用用中，常使用变压变压器器原原边边串串联电联电容的方法或使用容的方法或使用电电流型流型PWMPWM控制器来减控制器来减弱偏磁危害。弱偏磁危害。返回