一种非对称半桥反激变换器及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种非对称半桥反激变换器及其设计方法，包括主功率电路和控制电路的设计，以及谐振电容上电压波动和谐振时间的推导。主功率电路包含平面变压器的设计：采用PPPSSS的绕法采用原边的一匝作为屏蔽层大幅减小原副边耦合电容，同时不需要额外串谐振电感以减小损耗。根据谐振电容电压波动的推导可设计合理的谐振电容容值，根据谐振时间的推导可以得到合适的谐振时间以实现副边同步整流管的零电流关断，同时减小谐振腔内电流环流从而提升效率。本发明专利技术可以在宽输入电压、输出电压和功率范围内实现所有开关管的软开关以达到高效率。到高效率。到高效率。

【技术实现步骤摘要】
一种非对称半桥反激变换器及其设计方法


[0001]本专利技术涉及电能变换装置的直流
‑
直流变换器技术，特别是一种非对称半桥反激变换器及其设计方法。

技术介绍

[0002]随着便携电子设备的广泛使用，电子设备充电适配器成为了必需品。随着近年来手机快充等领域的发展对于电源系统功率、体积提出了更高的要求，要求充电设备的充电速度快、体积小。同时随着充电设备功率的增加，电网对于变换器的EMI要求也日益增高，要求满足国家的设定标准。
[0003]对于手机快充移动电子设备等所需的中小功率开关电源，其损耗是以热能的形式散发出去，因此对于变换器的要求可总结为是对变换器高效率、高功率密度的要求。目前常用的两种简单实用的开关电源拓扑均能实现所需功率要求，一为正激变换器，另外一种为反激变换器。正激变换器的能量可以直接转移到变压器，不利用变压器来存储能量，变压器因此具有更高的磁化电感且无气隙，能够提高变压器利用率；变压器的次级输出进行LC滤波，可以保证在减小输出电压纹波的同时减小晶体管上的峰值电流，从而降低电压应力。相较于正激变换器，反激变压器在电路工作中主要用于存储能量，在大功率场合的应用受到了限制，同时变换器副边也不需要滤波电感，在应对宽电压范围输入、宽电压范围输出以及高增益要求具有绝对的优势，因此在小功率场合反激变换器是一种最佳选择。
[0004]反激变换器在实际应用中也存在很多问题，一是由于常规反激电路工作在硬开关模式，因此无法实现高效率，二是出于降低成本和体积的考虑，变压器需要留有气隙防止了磁通饱和，但这一举措导致了变压器漏感感量增大，增加了功率损耗和MOS管电压应力，降低变换器的效率和电路的稳定性。此外，变换器副边绕组引起的谐振峰值电压，会影响开关电源变压器的工作效率
[3]。硬开关模式下，变换器的EMI性能会恶化，这也限制了反激变换器在一些应用场合的使用。针对反激变换器以上的三大问题，学者针对反激变换器进行了大量研究。
[0005]为降低反激变换器的电压应力和电压尖峰，准谐振电路(QR)常采用无源RCD吸收电路，消耗掉漏感中的剩余能量，限制了反激变换器的效率提升。有源钳位反激电路(ACF)能够有效地通过钳位电容利用漏感中的能量，但其开关管电压应力高的问题仍然制约了反激变换器的发展和应用。

技术实现思路

[0006]本专利技术的专利技术目的是针对上述
技术介绍
的不足，提供了一种非对称半桥反激变换器及其设计方法，使变换器既能满足宽输入宽输出(输入90VAC
‑
220VAC，输出5V
‑
15V，5A)的要求，效率尽可能高，功率密度尽可能大。
[0007]本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案：
[0008]一种非对称半桥反激变换器，包括主功率电路，所述主功率电路包括V
B
为交流输
入电压经过整流桥和输入滤波电容的母线电压，S1、S2为原边开关管，采用GaN器件，由于GaN器件没有体二极管但存在第三象限，因此用原理图中与S1、S2并联的二极管代表其第三象限以便描述续流过程。变压器模型可等效为漏感为L
r
，励磁电感为L
m
与一个匝比为n:1的理想变压器，C
r
为谐振电容，Q1为副边同步整流管，C
o
为输出电容，R
o
为负载。
[0009]一种非对称半桥反激变换器的设计方法，用于上述所述的一种非对称半桥反激变换器，包括以下步骤：
[0010]步骤A：根据变换器工作模态分析每个模态下漏感电流i
Lr
与谐振电容两端电压v
Cr
方程；
[0011]步骤B：根据励磁电感伏秒平衡得到上管S1占空比为
[0012]步骤C：根据输入功率积分可得到输出电流其中I
Lmmax
与I
Lmmin
分别为励磁电感的正负峰值电流。其具体计算为其中t
off
为上管关断时间；
[0013]步骤D：副边电流可以近似看作半个正弦波，一个周期内副边电流的平均值等于输出电流I
o
可得副边峰值电流
[0014]步骤E：输入电容C
in
的大小取决于交流电压的最小有效值V
inrms_min
和最小的电容电压V
B_min
，输入滤波电容值为
[0015]步骤F：根据上管设定最大占空比可得最大匝比根据副边同步整流管Q1耐压可得最小匝比由此求得变压器匝比n；
[0016]步骤G：进行变压器设计，根据磁芯有效面积面积A
e
及磁通密度变量ΔB可求得变压器副边匝数由此求得变压器原边匝数N
p
以及磁芯气隙大小δ；
[0017]步骤H：由于副边电流近似半个正弦波，其波形与I
o
的在波形上的交点为t
A1
和t
A2
，根据输出电压纹波幅值ΔU的要求得到输出电容
[0018]优选的，谐振电容上电压波动谷值即图1中t1时刻谐振电容电压值为
[0019][0020]式中
[0021]谐振电容上电压波动峰值即图1中t5时刻谐振电容电压值为
[0022][0023]式中
[0024][0025]优选的，上管关断即下管开通时间t
off
(忽略死区时间)需尽量与谐振时间相匹配，以减小谐振腔内环流同时使得副边同步整流管零电流关断，谐振时间为
[0026][0027]式中
[0028]优选的，采用平面变压器设计，采用PPPSSS绕法利用原边线圈单独的一匝将其设计成一层屏蔽层，与谐振电容C
r
正极同电位，使原副边之间的耦合电容都耦合到一个波动很小的电位上，能有效减小共模噪声，同时不需要额外串联谐振电感以减小损耗。
[0029]优选的，原边开关管上管选用GaN System公司的GS
‑
065
‑
011
‑1‑
L，下管选用GaN Systems公司的GS66508B，副边同步整流管选择英飞凌公司的BSC093N15NS5，磁芯选择TDK的PC95EL25X8.6
‑
Z；控制芯片采用英飞凌公司的XDPS2201芯片。
[0030]本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0031]1.本专利技术提供了一种非对称半桥反激变换器及其设计方法，通过每个控制周期在两次开关频率变化范围内选择随机频率对开关频率进行随机化，可以在开关频率变化范围较窄的情况下改善随机SVPWM方法谐波分散效果，进一步抑制电磁干扰。
[0032]2.本专利技术提供了一种非对称半桥反激变换器及其设计方法，在宽输入电压、输出电压以及输出功率的范围内，可以实现原边开关管的零电压开关(ZVS)，副边同步整流管的零电流开关(ZCS)。
[0033]3.本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非对称半桥反激变换器，其特征在于：包括主功率电路，所述主功率电路包括V
B
为交流输入电压经过整流桥和输入滤波电容的母线电压，S1、S2为原边开关管，采用GaN器件，由于GaN器件没有体二极管但存在第三象限，因此用原理图中与S1、S2并联的二极管代表其第三象限以便描述续流过程。变压器模型可等效为漏感为L
r
，励磁电感为L
m
与一个匝比为n:1的理想变压器，C
r
为谐振电容，Q1为副边同步整流管，C
o
为输出电容，R
o
为负载。2.一种非对称半桥反激变换器的设计方法，用于上述所述的一种非对称半桥反激变换器，其特征在于，包括以下步骤：步骤A：根据变换器工作模态分析每个模态下漏感电流i
Lr
与谐振电容两端电压v
Cr
方程；步骤B：根据励磁电感伏秒平衡得到上管S1占空比为步骤C：根据输入功率积分可得到输出电流其中I
Lmmax
与I
Lmmin
分别为励磁电感的正负峰值电流。其具体计算为其中t
off
为上管关断时间；步骤D：副边电流可以近似看作半个正弦波，一个周期内副边电流的平均值等于输出电流I
o
可得副边峰值电流步骤E：输入电容C
in
的大小取决于交流电压的最小有效值V
inrms_min
和最小的电容电压V
B_min
，输入滤波电容值为步骤F：根据上管设定最大占空比可得最大匝比根据副边同步整流管Q1耐压可得最小匝比由此求得变压器匝比n；步骤G：进行变压器设计，根据磁芯有效面积面积A...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚凯，荆子琦，汤其媛，张士顺，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：