0 引言

    變換器作為能量轉(zhuǎn)換與傳遞裝置，其效率和性能受到廣泛關(guān)注和研究。反激變換器（見圖1（a））結(jié)構(gòu)簡單，被廣泛用于輸出功率P_o≤100 W工況^[1-5]。然而，轉(zhuǎn)換效率η_e較低，并且開關(guān)管必須承受來自變壓器的漏電感L_lk1產(chǎn)生的高壓應(yīng)力。

    非對稱半橋（Asymmetrical Half-Bridge，AHB）變換器（見圖1（b））常用于功率要求100 W≤P_o≤500 W^[2-9]的工況。AHB克服了反激變換器變壓器的漏電感L_lk1產(chǎn)生的高壓應(yīng)力缺陷，開關(guān)管S₂的斷態(tài)電壓被鉗位到輸入電壓V_IN。AHB變換器實(shí)現(xiàn)了開關(guān)S₁和S₂的零電壓開關(guān)(Zero Voltage Switch，ZVS)，因此轉(zhuǎn)換效率η_e得到提高^[6-7]。但是，寬功率輸出時(shí)，二極管D₁和D₂的占空比丟失增加。另一個(gè)問題是漏電感L_lk1與D₁和D₂的寄生電容構(gòu)成諧振，從而引起電壓振鈴問題。

    帶倍壓器結(jié)構(gòu)的AHB變換器（見圖1（c）），具有與AHB變換器相同的初級電路，但次級電路采用倍壓器結(jié)構(gòu)。倍壓器將D₁和D₂的電壓鉗位到輸出電壓V_o來抑制AHB的電壓振鈴的問題，因此二極管的電壓應(yīng)力減小。由于消除了占空比丟失，因此帶倍壓器結(jié)構(gòu)的AHB變換器具有比AHB變換器高的轉(zhuǎn)換效率η_e。但是，該變換器輸入電壓V_IN范圍較小^[8-10]。

    本文提出一種低應(yīng)力高效非對稱半橋變換器，采用帶電感Lf的倍壓器結(jié)構(gòu)，變壓器次級繞組采用不平衡結(jié)構(gòu)，增加輸入電壓VIN的范圍（330 V≤V_IN≤440 V）；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的低電壓和電流應(yīng)力，整流二級管的低電流應(yīng)力；輸出功率在10～100 W之間時(shí)，效率η_e在90%～96%之間。所提變換器結(jié)構(gòu)見圖1（d）。

1 所提變換器工作機(jī)理分析

    所提變換器的初級與AHB變換器的初級相同。次級采用帶有L_f的倍壓器結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)開關(guān)管S₁和S₂的ZVS，同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出濾波。由于D₁和D₂沒有續(xù)流電流流過，因此占空比丟失問題得到有效抑制；電感器L_f和C₁，C₂構(gòu)成諧振，實(shí)現(xiàn)D₁和D₂的精準(zhǔn)ZVS，有利于效率提高。本文變換器工作模式如圖2所示，工作波形見圖3。

    具體工作模式如下：

    t₀<t<t₁階段(見圖2(a))，在此期間，當(dāng)t=t₀時(shí)，S₂關(guān)斷，變換器進(jìn)入死區(qū)。在此期間，電容C_S2從0 V充電到V_IN，電容C_S1從V_IN放電到0 V。當(dāng)i_D2逐漸減小到0 A時(shí)，該模式結(jié)束，從而實(shí)現(xiàn)D2的零電流關(guān)斷（Zero Current Switch，ZCS）。

    t₁<t<t₂階段（見圖2(b)），在此期間，流過L_m的電流保持原有的方向，二極管D_S1導(dǎo)通，隨后S₁導(dǎo)通。此期間，D₁導(dǎo)通，i_D1開始流動(dòng)。通過對L_m應(yīng)用伏秒平衡得出C_B的端電壓V_CB=DV_IN。

    流過L_m的電流i_m為：

    t₂<t<t₃階段（見圖2(c)），在此期間，在t=t₂之前S₁閉合，當(dāng)i_m=-i_pri時(shí)，D_S1在t=t₂時(shí)關(guān)斷，其中i_pri是通過理想變壓器初級繞組的電流。與式（2）相同的i_D1對C₁充電；能量從輸入端傳輸?shù)捷敵鰝?cè)。當(dāng)S₁關(guān)斷時(shí)，此模式結(jié)束。

    t₃<t<t₄階段（見圖2(d)），在此期間，當(dāng)t=t₃時(shí)，S₁關(guān)斷，S₂保持關(guān)斷狀態(tài)，因此變換器進(jìn)入死區(qū)時(shí)間間隔。C_S2從V_IN放電至0 V，C_S1從0 V充電至V_IN。當(dāng)充電和放電過程完成時(shí)，該模式結(jié)束。

    t₄<t<t₅階段（見圖2(e)），在此期間，i_D1在t=t₄處開始減小，并且存儲(chǔ)在L_f中的能量被傳送到C₁。對于t₄<t<T_S+t₁，L_m兩端的電壓V_Lm=-V_CB，S₂的體二極管D_S2導(dǎo)通， L_f兩端的電壓為-(n₁DV_IN+V_C1)，所以i_D1可以表示成：

    當(dāng)i_D1=0 A時(shí)，該模式結(jié)束，其持續(xù)時(shí)間短，因?yàn)榇鎯?chǔ)在L_f中的能量小。

    t₅<t<t₆階段（見圖2(f)），在此期間，D₁關(guān)斷，D₂導(dǎo)通，D_S2仍導(dǎo)通。S₂在t>t₅時(shí)接通。當(dāng)L_f與C₁和C₂諧振時(shí)，流經(jīng)D₂的電流i_D2為：

    t₆<t<t₇階段（見圖2(g)），當(dāng)t<t₆時(shí)S₂導(dǎo)通，當(dāng)i_m=-i_pri時(shí)，D_S2在t=t₆時(shí)關(guān)斷。存儲(chǔ)在L_m中的能量被傳遞到輸出端并且i_m減小。當(dāng)i_m<0 A時(shí)存儲(chǔ)在L_f中的能量被傳送到輸出端。i_D2同式（4）。當(dāng)S₂關(guān)斷時(shí)，此模式結(jié)束。

    所提變換器設(shè)計(jì)為具有n₁<n₂，在V_C1≈V_C2≈V₀/2狀態(tài)下操作。依據(jù)在D₁導(dǎo)通的(D+α)T_S時(shí)間段和D₂導(dǎo)通的(1-D-α)T_S時(shí)間段內(nèi)V_Lf(t)的平均電壓應(yīng)該為0 V的條件，得出變壓器的匝數(shù)比n₁和n₂為：

2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

    （1）正向電感L_f

    i_D2(t)的平均值等于I_O，因此由式(4)可得：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    構(gòu)建了所提變換器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測試了反激變換器、AHB變換器以及帶倍壓器的AHB變換器，并進(jìn)行功率和應(yīng)力等性能的比較分析。

    在P_o=100 W下測得所提變換器的D₁和D₂的電壓和電流波形(見圖4（a）)，常規(guī)AHB變換器(見圖4（b）)和帶倍壓器結(jié)構(gòu)的變換器(見圖4（c）)。所提變換器比其他AHB變換器電壓振鈴少得多，并且沒有AHB變換器具有的占空比損耗。

    當(dāng)V_IN=390 V、V_O=142 V和P_o=10-100 W時(shí)測量得AHB變換器、帶倍壓AHB以及所提變換器的功率轉(zhuǎn)換效率η_e與輸出功率P_o的曲線（見圖4（d））。反激變換器隨著輸出功率P_o的減小開關(guān)損耗不斷增加，η_e迅速下降；AHB變換器存在占空比丟失，所以效率較低；所提出的變換器具有最高的η_e，因?yàn)樗鼪]有占空比丟失，并且開關(guān)管和二極管實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)軟開關(guān)技術(shù)。帶倍壓結(jié)構(gòu)的AHB的η_e非常接近于所提出的變換器，但有占空比丟失，并且L_m有直流偏移電流。

    在V_IN=390 V、V_o=142 V、P_o=100 W和D=0.31時(shí)，將所提變換器、帶倍壓的AHB、常規(guī)AHB進(jìn)行了應(yīng)力測試(見表1)。所提變換器的D2的電壓應(yīng)力被測量為240 V，而AHB變換器的電壓應(yīng)力為830 V。帶倍壓的AHB在S₁和S₂上比其他變換器具有更高的電流應(yīng)力，因?yàn)槠浯渭壷袥]有使用諧振。由表1可以看出所提變換器的開關(guān)管S₁、S₂電壓和電流應(yīng)力較低，D₁、D₂電流應(yīng)力也較低，但所提出的變換器變壓器次級不對稱設(shè)計(jì)(n₁<n₂)，所提變換器的D₂的電壓應(yīng)力比帶倍壓的AHB變換器的電壓應(yīng)力高約50％。

4 結(jié)語

    所提非對稱半橋變換器在較寬范圍功率輸出時(shí)仍具有高效率η_e。通過在次級電路中采用正向電感器L_f解決了AHB變換器中的電壓振鈴和占空比損失的問題。所提變換器的開關(guān)管S₁、S₂電壓和電流應(yīng)力較低，D₁、D₂電流應(yīng)力也較低，但由于所提變換器變壓器的次級不對稱設(shè)計(jì)（n₁<n₂），D₂電壓應(yīng)力略高。

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作者信息:

姚月琴1，魯正楷2

（1.鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 鹽城224005；2.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安710129）