不对称半桥变换器的分析与设计.Stamped_图文

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《 电气开关》 20 . o3  (0 8 N . )

2  1

文章编 号 :0 4—2 9 2 0 ) 3— 0 1 4 10 8 X(0 8 0 0 2 —0 

不 对 称 半 桥 变 换 器 的 分 析 与 设 计 
杨黎 , 启龙  蒋
( 南交通 大学 电气工程 学院, 西 成都


603 ) 10 1 

要 : 对称半桥 工作 在 软 开关模 式 可 以减 小开 关损耗 , 高 电源的 效率 。 分析 了不对称 半桥 的 工作 原理和 实 不 提  

现零 电压 开关的条 件 , 以一 台咖 啡机 电源 为例 来说 明 电源的设 计过 程 。最后 , 实验 结果 证 明 电源在零 电压开通 。  
关键词 : 不对 称半桥 ; 电压 开 关 ; 开 关  零 软 中图分类 号 :M54 T 6  文献 标识 码 :  B

An l ssa d  sg o   y m e rc lHa f— brdg   nv r e   a y i  n De in  fAs m t ia  l — i e Co e t r
Y NG L ,I NG — n   A   iJA   l g o

( l tcl n i e n  c o l f o tw s J o n   nv r t,C e g u6 0 3 , hn ) Ee r a E gn r gS h o o  uh et i t gU i s y h n d   1 0   C ia  ci   ei   S  a o ei 1
Absr c :   smmerclh l —b ig   p rt n i ot w thn   d  alrd c  w thn   o e  s n   mv   t a t An ay tia  af r eo eai   sf s i i gmo ec l e u es i igp w rl sa di d o n   c   c o mp e
t e efce c   fp we  u l . i  pe   n lz s te o r to   rncp e o  h   s mmerc lh l h   fi in y o   o r s pp y Th spa ra a y e  h   pe ain p i i l  ft e a y tia   af—brd e a d t e r — i g  n    e  h q ie n   fr a ii g ZVS i  pe ain.   x mp e i  e e td t  x an t e d sg   o e ur r m  o e   o r Fi  u rme to  e lzn     n o r to An e a l  sprs n e  o e pli     e i n pr c d e fo c f e p we . — h nal t e e p rme tlr s lsa e p o i e  o v rf h   o rz r   o tg   wi hi   ttr   n. ly,h   x e i na  e u t  r  r v d d t   e y t e p we  e o v l e s t ng a u n o   i a c

Ke   r y wo ds:smmer a  af—b d e Z ay t c lh l i i r g ; VS;ot w thn   s f s i ig   c

1 引 言   
不 对称 半 桥 采 用 固 定 死 区 的 互 补 P WM 控 制 方  式 。利 用 电路本 身 的特 点 , 关 管 的 寄生 电容 和变 压  开 器 的漏 感 , 两个 开关 管 的死 区 时 间里 , 生 谐 振 , 在 发 实 
现零 电压软开 关 。在 没有 增 加 额 外 器 件 的 条 件下 , 就 

( )忽略输 出二极 管 的正 向压 降 和二 极 管的反 向  3 恢 复 电流 ;   ( ) 波 电感 足够 大 , 4 滤 开关 过程 中 , 载 电流  总  负 。
是 连续 的。  

实 现 了软开关 , 提高 了变 换 器 的效率 , 和半桥 硬 开关 相 

比, 成本增加非常小 , 有利于提高其市场竞争力。  

2 不 对 称 半 桥 软 开 关 过 程 分 析 
2 1 不对 称半 桥 的工作 原理  . 
图 1 不 对 称 半 桥 主 电路    

不 对称半桥 主电路 如 图 1所 示 , 次 侧 包 含 两个   一 开关 . s .,  与 s 变压 器 的漏感  及 隔直 电容 c , 次侧     二
为 中心抽 头 的变压器 加上 整 流二极 管 D 与 D 及输 出      电感 o 电容 C 组 成低 通 滤波 电路 , 中 . 与 . 的  和 。 其 s   s  

下 面分 8个 工作 模式 来 分 析 开关 . s .  和 s  的 Z S V  过程 , 工作 波形 如 图 2所 示 。 中 n 其  和 n 是 变压器 副   
N 
』’ P 

N 
1’   P

边 与原边 的匝数 比 :  =— , = n   n  

控制信号互补 , 主电路的 Z S是通过开关转换过程中 V   的谐 振 电容和 变压器 的漏 感 发生 谐 振实 现 的。  
在进 行软 开关过 程分 析 之前 , 做 如下假 设 : 先  
( )忽略 变压器 原 边 的漏感 , 化 电流  不 变 ; 1 磁  

() 1t 。~t 线性充放电模式 )   (   当 t=t时 , 关管 S 关 断 , 压器漏感 电流 流过  。 开   变
c  和 c ,   电容 c 充 电 ,  电。 载 电流 流过 二极 管    c放 负 D , t=t时 刻 , =  在       =D , 阶段结束 。   该  
( ) ~t( 振暂 态模 式 ) 2t  谐  

( )忽略 纹波 , 2 电容 c  足够 大 , 为 其 上 电压  认
不变 ;  

当 t=t时 ,   二极管 D 和 D 同时导通 ,     变压器原 

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副边解耦 , 、    及 c 串联谐 振 , 到 电容  的 电    c、 。 直 压被 放至 0 D 导通 , . 零 电压 开通创 造 条件 。 V, s 为 s    
1 -D 

现不 对 称半桥 DC DC变 换器 的 Z , 从 以下两方  / VS需要
面考 虑 :  

() 1 一是 要有 适 当 的负载 电流 , 公式 ( ) ( ) 1 和 2 是 
I  

I  

产 生 Z S的条件 : V  
!! !l   I  

』9 (】 h
?  


上 -  r …  + ; { . \p 乃  - …。 ● I   
k- , L  

i  

() 1  I   p l> () 2 

(】 。 I D 卜I t     D.  ; 1  
;l  

、  

I .   + L

广卜   J
I  \

!   :  

L:   n— ‘

其 中 ,n为 t 时 的变 压 器原 边 电流 ; , l 。  
为 t 的变压器 原 边 电流 ;  时   z 为特性阻抗 , n= n z   / c, =C   。 2 C 。=  

在 稳态 条 件 下 化 简 , 到 开 关 管 . 零 电压 条  得 s  的
图 2 不 对 称 半 桥 Z S波形     V

件:  

( ) 一t( 3t   电感放 电模 式 )  

当 t   变为 零 , =t,   开关 管 . 的反 并联 二极 管  s   开始 导通 , 漏感 电流线 性 下降 ; t   , 在 =t时 变压器 原边  电流 i过零 并反 向增 大 , 。 二极 管 D。 D 和  继续 共 同导 
通。  

z   n>

() 3 

开关 管 S  的零 电压条 件 :  

z   n>



 

() 4 

() 4t  一t(   能量传 送模 式 )   当 t=t时 ,   开关 管 . 完 全导 通 , s   二极 管 D 关 断 ,     流过二 极管 D 的 电流 为 , , 时  =0 当 t=t时 ,   0此 ;    

由式 ( )和 ( )可 得 , 入 电压 、 3 4 输 负载 电流 、 变压 

器 匝 比、 性 阻抗 和 占空 比等 都 会 影 响开关 管 的 Z S 特 V 
条件 :  

开关管 . 关断, s   该阶段结束。  
( ) 一t( 性充 放 电模式 ) 5t  线  

① 减 小输 出 电压 , 大 负 载 电流 , 大 变 压器 匝  增 增 比, 有利 于 实现 Z S  V ; ② 增大 特 征阻 抗 , 即增 加 漏感 , 减小谐 振 电容 , 有 
利 于实现 Z ; VS 

当 t= t时 , 关 管 . 关 断 , 5 开 s   电容 c 放 电 , 充  。   电, 负载 电流流过 二极 管 D ; t=t  在  时刻 , 的 电压   

充电至 D ,   该阶段结束 。   () 6t  一t( 振 暂态模 式 ) ,谐  
当 t=t , 极管 D。 D  时 二 和  同时 导通 , 变压器 原  副边解 耦 , c 、: c  、 。c 及 。串联 谐振 , 到 电容 c 的 电  直 。
压 被放 至 0 D V,  导通 , . 零 电压 开通 创造 条件 。 为 s     ( ),一t( 7t 。 电感 放 电模式 )  

③ 当 D <05时 , 关 管 . . 开 s . 容易实 现 Z S   比 s 1 V , 且 D越 小 , 开关 管 . 越 容易 实 现 Z S 而开关管 . 越  s   V , s   难 实 现 ; D >0 5时 , 当 . 情况 刚 好相 反 。 以 , 所 占空 比 D   在 05附近 , . 两个 开关 管 都 容易 实现 Z S  V。



当 t=t, 等 于  , 关 管 .    开 s  的反 并 联 二 极 管  开始 导通 , 漏感 电流线 性 上升 ; t=t 时 , 在   变压器 

( )桥臂上下两开关管的驱动脉冲之间要保证适  2 当的死 区时 间 。  
要使 开关 管 . 在 电压过 零 时开 通 , s 。 需满 足 :  
t 一 t <  b < t 一 t   7 5 8 5

原边 电流 i过零并 正 向增 大 , 极 管 D 。 二  和 D 继 续共   
同导 通 。  

2C 
s   + 

() 8t  一t ( 。 能量 传送 模式 ) 。   当 t=t时 , 管 . 完 全 导通 , 。 开关 s 。 二极 管 D 关 断 ,    
流 过二极 管 D 的 电流为 , , 时  =V ; t l时 ,   o此 s 当 =t o   1   .r   ( 1一D) 1    

其 中:  

∞  m



 

() 5 

开关管 . 关断, s . 该阶段结束 。   2 2 实现软 开关 的条 件  .  由于参数和运行条件的不 同, 电路 的开关转换的 
方式也 不完 全相 同 , 的 能够 实 现 Z S 有 的则 不能 。 有 V ,  

t 5= (7一t)+ 8一t t 5  

要使 开关 管 . 电压 过零 时开 通 , 满 足 : s  在 需  
t 一 t <  a < t 一 t   2 o 3 o

通过前面对开关管. 和 . 的Z S s s     V 过程分析可知 , 要实 

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2  3

( )输 出滤 波 电感 己  2 。
。  

t  +  
1   .  
吼 n 

假 定 滤 波 电感 电流纹 波 系数 A =0 2最 小负载 电  .,
v D  s

其中:   t o: (2一t)+ 3一t t o  

流,   d c:

:0 5 则  . A,
=   =

,。 d  

0.   8  5 0K 

3  ̄ 01H

√ y 卜1 [     s 工 ,      
() 6 

( ) 出滤波 电容 G  3 输 。
输 出滤 波 电容 的 大 小 是 由输 出纹波 电压 决定 的 ,   令 纹 波 电压 △V =5 mV, 0 则 
A, ?6 × 1 o 。 5 0一 
,1  

从上 面 的表达 式可 以看 出 , 即使 确 定 了死 区时 间  6 和6 , 。   由于运行 的条 件不 同 , 会 出现 Z S 通时 间  将 V 导 的偏 移 , 有可能 使 电路 无 法 实 现 Z S 因此 , 了选 择  V。 除 合适 的死 区时 问 , 还要 让 电路 在 D =0 5附近 工作 。 .  

0 2 × 5 ×6 × 1 6 5 0— 


Lo ,  


— —  



 

— — —  

— 一

 

10  ̄ 3 01F 

考 虑 到 等 效 内阻 的 影 响 , 两 个 10 1 , 压  取 00 ̄ 耐 F
3 V 的电解 电容 并联 。 5   ( )隔 直 电容 G  4 。

3 实 例 设 计   
下面 以一 台咖啡 机 电 源 为 例 , 说 明 主 电路 参 数  来 的计算 过程 。 由于不对 称半 桥 的前 一级 有 P C, 以输  F 所 入 电压  =40 要求输 出 电压 V 0 V。 o=2 V, 出电流  4 输 I o:5 输 出 电 压纹 波 △V A, o= 5 mV, 0 开关 频 率  =  
8 k z 效率 ? 0H , 7>0 8 。 .5 
( )变 压器设 计  1

耦 合 电容 c 电感 。 算 到原边 的 电感 n 组   和 折  。 成 了一个 串联 谐振 电路 , 般谐 振 频 率 为开关 频 率 的  一
1 1 ~1 1 , /5 / 0 则 
c。 =  

一4r ( .   )凡   - 0 1?     r  

: 0. 3 x 4 6tF

一  

实验 中选 取 0 4 F 耐 压 40 的无极 性 薄 膜 电  .7 , 5V
容。  

在设 计 变 压器 时 , 先 选 择 磁 芯 。 压 器 功 率 为  首 变 10 左 右 , 作 频 率 为 8 k , 择 型 号 为 P 一9 4W 工 0 Hz 选 L  

( )功率 MO F T的选 择  5 SE

D 3 1 的铁氧体 磁芯 , S3 9 部分参 数为 : 电感系数 A =    
7 5 - I N , 4 04nI  磁芯 截 面积 A =174  铁 芯有 效  - /   4. mm ,

功率 M S E 可以根据它的开关电流和最大阻断  O FT
电压来选 择 。   最 大开关 电流 :  
=   +   州 A 

体积 v o=77 m   等效磁路长度 z 56 m ,  =5.m   14 m。
由于输 入 电压 4 0 输 出 电压 2 V, 大 占空 比  0 V, 4 最

不可 能达到 0 5 现设 定工 作 占空 比 D =02 考 虑 到  ., .5,
死 区 , 1一D) =0 6 。 ( . 5 
,   ,A

=  

+  

A 

栅z  

币 

39 6  

根据 上述 结果 选 择 MO F T 实验 时选 1 6 C 。 SE ,   0 3  1 N ( )输 出整 流二 极 管 的选 择  6 二极 管 可 以根 据 方波 电流和 阻断 电压来选 择 。  
方 波 电流 :D ,1=,2:I D o=5   A 二极管 阻断 电压 :  
=   =

接 着计算 一 次侧 匝数 Ⅳ , n依据 安 培 定律 与 法拉 第 
定 律 , B =2 0 , A 5 0 则 
,  

D( 1一D)
22T   s

4 0 ×0 2 0 . 5×0 6  .5

丽 
变压 器 副边 匝数 :  
】+ 2= ( 】+n )?   n 2  
A   =3, 1 I 。=1 0 9 则  - m . 5 A,
, 

面 

96 , V  

=  

=3 7V 

=0 3 9 2 8 s . 6  2  T 

根 据 上 述 结 果 , 验 时 选 取 超 快 恢 复 二 极 管  实
U1 2   6 0。

然后计 算 变压器 电感 值 , 磁 电 流变化 量  激
Np ABA。?1   0一 2  2 0 2 50  1 4 4 1   7   0一


4 实验 结 果 
一  
图 3 图 4为 2V,A情况下漏源 电压波形 , 和 4 5 从  波形可以看出 S  和 S 都实现 了 Z S 此时电源的效  : V,

L —   
= 0. 66 7 mH 

—— 1 

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率为 8 %。 当负载 电流为 12 A时 , 的漏 源 电压 波  8 .5 J s 形如 图 5所示 , 开关 管在 开通 时漏 源 电流发 生震 荡 , 变 

参 考 文献 
[ ] L uY —H i, hnC e 1 e  i s C e  hr n n—L , h n s — i A a s n  e i C e  o M n n y s dd. n T . l ia  
s n fr a y i  o   s mmerc   af— b d e f r a d mo e c n e tr .P g t a hl il i r g   o w r   d   o v r s EDS 2 01  e  0 . I EEE I t r a i n   n e e c   n V l me 1, P. 2   n e t a Co f r n e o   o u   P 1 6—1 0, 0 1  n ol 3 20.

换 器 的损耗 较大 , 时 没 有 实 现 Z S 此 V 。随 着 负 载 电流 
的增加 , 比 J 先 实 现 Z S 所 需 的最 小 负 载 电 流可  J s s   V , 以通过式 ( ) ( ) 算 得 到 。 当 负 载 电 流 为 5 但  3和 4计 A, 死 区条件不 满足 时 , 源 电压 波 形如 图 6所示 , 漏 开关 管  没有 实现 Z S 电源 的效 率为 8 . % 。 比在 Z S条 件  V , 69 V 下 的效率低 1 1 。 .%  
k 运行  … ~ … 7 一… 已被触发  一 ~△8 0 V | .0  
鲁: 4 0   0 V A: . 0 s 2 2   
— — — — 一  

[ ] XnuX , s i M K a bd oe A a s n  e g   nO t 2 i   u A h n   h m ak n. n yi adD s no A   p - y w   l s i f i  
mie   y z d As mmerc   lf~B d eDC —DC C n e t r P t a Ha il i r g    o v r e . EDS 2 03 Th   f     0 . eFi h t
I tr ai n lCo f r n e o   l me 1, P 1 0— 1 5, 0 3   n e n t a   n e c   n Vo u   P . 2 o e 2 2 0 .

[ ] B r e U , u n e gC i g C a 3 o —R n n H a —K n  h , ho—H i   s g K o—   n n a s nT e , a   e n
Ch n   e .An y i  n   mp e na i n o   n a y e g Ch n l a ss a d I l me t t   f a   8 mme a  af—b i g   o mc l h l rd e
c n e e . EDS 2 0 I t r a in l n e e c   n Vou   , P 4 7-41   ovr rP t   0 5. n e to a  f r n e o   l me 1 P . 0 n Co 2,

z ~一一 一   ~  璧 。   
i   1   V  20

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△: . 0 22 
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[ ] B r R nLn C e g h n  ag A a s , e g n  p m n 4  o — e i ,h n —C agY n . n yi D s n d m l e— l s i a I e  
tt no    y a i   fa As mme r a  l o n t c lHa f—b d eCo v re . EEE I tr ai n   o e - i i r g  n e rI t  n e t a C n r n ol f  
e c P 10 n e, P. 2 9—1 1 2 0   2 4, 0 5.

c b

l1 频6 , 率 

  i

1 0 7 Hz 2  k  

d衅

峰值 测定 

}   !  
}   .  
一  

! ?     c 一 值定 《 峰 测  峰
。  

:  

[ ] 刘崇正. 5  高功 因半桥转换器之设计与研制[ ] 逢 甲大学, 9 . D. 1 3 9  
h l
-  



  hl


25
. 

:  

7 2

[ ] 邱兴云. 6  不对称半桥 软开关研 究[ ] 重庆大学,03 D. 20 .   [ ] 陈丹江, 7  张仲 超. 对称 半桥 变换 器的研 究[ ] 电源技 术应 用, 不 J.  
2 0 , 9 : 9  0 3 ( )6— .

}     {
C l0 V h  0   i 2( s C i2 V  ̄i A a  i   ih J   4 C 0v h 10  一 …   i 蔚j   黼

;  
∞4  V

图 3 S 实现 Z S的    。 V
漏 源 电压 波 形  

图4  

实 现 Z S的  V
漏 源 电压 波形  
收 稿 日期:0 8 0 一 9 20 — l 0  作者简介 : 杨黎 【9 2一 ) 男 。 18 。 西南交通大学 电气工程学院硕士研究生 。 研究方 向   为 电力电子技术。  

( 接第 2 上 0页 )  

5 结束语 
励磁 涌流 是变 压 器 合 闸过 程 中必 然 出现 的 问题 ,  
由于 其大 小受 很 多 因数 的影 响 , 对 变 压 器保 护 的灵  它
图 5 负载较轻时  的漏源 电压波形 

敏度 影 响很大 , 管人 们 对 励 磁 涌 流 鉴别 方 法研 究 较  尽

多, 无非就是频域特征鉴别和时域特征的鉴别 , 二次谐  波制动是属于频域特征 鉴别一种方法 , 间断角原理是  属 于时域 特 征 的鉴 别 一种 , 目前 微机保 护 而言 , 就 主要 
是上 述两 种 方 法 单 独 作 用 。本 文 就 上 述 两 种 方 法缺 

点, 提出了易于实现综合判据具有一定的实践意义。  
参 考 文 献 
[ ] 张广溢 , 1   郭前 岗. 电机 学[ . M] 重庆 大学出版社 , 0 , ,S 5 . 2 2 2 P0— 2 0  
盘  0   “  

[ ] 张保会 , 2  尹项根. 电力 系统继 电保护 [ . M] 中国电力 出版社,0 5 20 .  
5, 7 —1 7   P1 8 9 .

图 6 死 区时 间不 满 足 时  :的漏 源 电压 波形 

[ ] 江智伟. 3  变电站 自动化及其 新技术 [ . M] 中国电力出版社 , 0 . 2 6 0  

5 结 论   
不对称半 桥利用 开 关管 的 寄生 电容 和变压 器 的漏  感发 生谐振 , 实现开 关管 的零 电压软 开关 , 而不 需要 额  外 的元 器件 。为 了充 分 利 用 这 种 拓 扑 的优 势 , 高 电  提

1, 2 P 71—2 9  7 .

[ ] 洪乃刚. 4  电力 电子和 电力拖 动 系统的 M T A A L B仿真 [ . M] 机械 工  
业 出版 社 。 0 6 1 20 . .  

[ ] 吕真, 5  岳蔚 , 刘沛. 变压器差动保 护二次谐 波制 动判据 的仿真研 究 

[ ] 继电器 , 0 ,1 6 :9 7 . J. 2 33( )6 - 2 0   [ ] 黄 绍平, 6  李永 坚. 于 M T A 基 A L B的 变压器 空载合 闸瞬变过程仿真 
研 究 [ ] 继 电 器 ,0 43 ( ) 1 J. 2o ,2 8 :9—2 . 1  

源的效率 , 参数的设计就非常重要 了, 要注意占空 比和 
死 区的设置 。 因此 , 中小 功率 的变换 器 中 , 在 不对 称半  桥拓 扑是一 种优 先考 虑 的拓 扑 。  

收稿 日期 2 0 一 9— 3 0 7 o 0 


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