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半桥DC/DC开关电源的脉宽调制策略分析

http://www.ec.hc360.com2018年01月16日10:03 来源:村田T|T

    经常被用于中小功率电路设计的DC-DC转换器一直是工程师们在进行电源设计时候的首选。半桥电路由两个功率开关器件总成,并向外提供方波信号。大家都知道,常见的半桥控制器通常有两种控制方法,一种是对称控制,而另一种则是不对称互补控制,本文主要分析实现半桥DC/DC变换器软开关的PWM控制策略。

    在本文中缓冲型软开关对称PWM控制策略是指对称控制半桥变换器磁心双向磁化,利用率高,且不存在偏磁。控制方便,控制特性线性。功率管上电压应力低,适用于高输入电压场合,但此种半桥变换器较难实现软开关,变换器效率难以得到提高。

    对称PWM控制ZVS半桥变换器

    对称式PWM控制ZVS半桥变换器(见图1),其与传统半桥电路相比,对称PWM控制的ZVS直流变换器增加了一个由辅助开关管和一个二极管组成的支路。其主开关管不仅工作在对称状态,而且下管和辅助开关管可在全负载范围内实现ZVS,上管也能在宽负载范围内实现ZVS,引起的附加损耗很小。该变换器器件所受应力小,可靠性高,其更适合采用MOSFET做开关管,较少应用于高电压、大功率场合。该变换器需要利用谐振电感的储能来实现开关管的ZVS,增大谐振电感能扩大上管ZVS范围,但会使占空比丢失严重,设计谐振电感时须权衡考虑实现上管ZVS和减小占空比丢失。

图1 对称PWM 控制ZVS半桥变换器

图1 对称PWM 控制ZVS半桥变换器

    下面我们来具体说一下控制型软开关PWM控制策略,它是指控制型软开关半桥DC/DC变换器不增加主电路元器件(可增加电感电容元件以实现软开关条件),通过合理设计控制电路来实现软开关。图2给出4种控制型软开关半桥DC/DC变换器的PWM控制策略。

图2 控制型软开关PWM 控制策略   图2 控制型软开关PWM 控制策略

图2 控制型软开关PWM 控制策略

    不对称互补脉冲PWM控制:这种策略中开关管的控制脉冲不对称互补,采用此控制策略的传统不对称半桥变换器已广泛应用于中小功率场合。其原边开关管实现ZVS的方式有2种:负载电流ZVS方式和励磁电流ZVS方式。其优点是:两个开关管都可实现ZVS;一些可改善移相全桥变换器滞后臂软开关条件的措施也可用于不对称半桥变换器;不存在硬开关中的震荡问题;与移相全桥变换器相比,无循环能量。其缺点是:开关管电压应力和开关管软开关条件不一致,上管较难实现软开关;整流管电压应力不一致,且随占空比变化,一些应用场合一个整流管电压很高,器件较难选择;轻载时会失去软开关条件;变压器直流偏磁,负载越重占空比越小,偏磁越严重;非常不适用于宽输入或宽输出电压的应用场合。

    移相脉冲PWM控制:由图可见采用此控制策略的半桥也称为双有源半桥。此控制策略与传统的移相全桥拓扑类似,区别在于移相的两个桥臂分布在变压器的原副边。此拓扑中,变压器的漏感是中间储能元件。原副边半桥各产生一个占空比为50%的方波,通过调节输出两个桥之间的移相来控制变压器漏感的能量从而调节输出电压。此拓扑可实现全负载范围的软开关,同时输出又能获得同步整流。其缺点是:循环能量非常大,输出电流纹波大。为了改善输出电流纹波大的缺点,移相ZVS半桥电路被提出。

    脉冲移位PWM控制:此控制策略为上管下降沿与下管前沿互补,脉宽相同。可实现下管的ZVS开通,上管仍然是硬开关。其优点是:可减少部分开关损耗;变压器不存在直流偏磁;整流管电压应力对称;宽范围输入上优于不对称半桥。增加辅助电路可实现上管的ZVS。

    最后为不对称脉冲PWM控制:其原理为其下管下降沿与上管的前沿互补,上管可实现ZVS。只要设计的占空比较小,无需其它措施即使工作在较高频率下开关损耗也很小。变压器直流偏磁,除占空比端点外,偏磁电流小于不对称半桥。宽范围适用性优于传统的不对称半桥。低压大电流的应用场合有一定的优势。

    小结

    本文中比较全面的根据具体应用场合分析和综合比较了半桥DC/DC电路中的PWM策略。其详尽总结了四种采用控制型的半桥DC/DC变换器PWM控制策略以及缓冲型软开关半桥DC/DC变换器PWM控制策略,为我们在设计时的选择提供了依据。

责任编辑:李嘉

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