實(shí)現(xiàn)半橋DC/DC變換器軟開關(guān)的PWM控制解決方案

經(jīng)常被用于中小功率電路設(shè)計(jì)的DC-DC轉(zhuǎn)換器一直是工程師們?cè)谶M(jìn)行電源設(shè)計(jì)時(shí)候的首選。半橋電路由兩個(gè)功率開關(guān)器件總成，并向外提供方波信號(hào)。大家都知道，常見(jiàn)的半橋控制器通常有兩種控制方法，一種是對(duì)稱控制，而另一種則是不對(duì)稱互補(bǔ)控制，本文主要分析實(shí)現(xiàn)半橋DC/DC變換器軟開關(guān)的PWM控制策略。

在本文中緩沖型軟開關(guān)對(duì)稱PWM控制策略是指對(duì)稱控制半橋變換器磁心雙向磁化，利用率高，且不存在偏磁?？刂品奖?，控制特性線性。功率管上電壓應(yīng)力低，適用于高輸入電壓場(chǎng)合，但此種半橋變換器較難實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，變換器效率難以得到提高。

對(duì)稱PWM 控制ZVS半橋變換器

對(duì)稱式PWM 控制ZVS半橋變換器(見(jiàn)圖1)，其與傳統(tǒng)半橋電路相比，對(duì)稱PWM控制的ZVS直流變換器增加了一個(gè)由輔助開關(guān)管和一個(gè)二極管組成的支路。其主開關(guān)管不僅工作在對(duì)稱狀態(tài)，而且下管和輔助開關(guān)管可在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS，上管也能在寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS，引起的附加損耗很小。該變換器器件所受應(yīng)力小，可靠性高，其更適合采用MOSFET做開關(guān)管，較少應(yīng)用于高電壓、大功率場(chǎng)合。該變換器需要利用諧振電感的儲(chǔ)能來(lái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS，增大諧振電感能擴(kuò)大上管ZVS范圍，但會(huì)使占空比丟失嚴(yán)重，設(shè)計(jì)諧振電感時(shí)須權(quán)衡考慮實(shí)現(xiàn)上管ZVS和減小占空比丟失。

圖1 對(duì)稱PWM 控制ZVS半橋變換器

下面我們來(lái)具體說(shuō)一下控制型軟開關(guān)PWM控制策略，它是指控制型軟開關(guān)半橋DC/DC變換器不增加主電路元器件(可增加電感電容元件以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)條件)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。圖2給出4種控制型軟開關(guān)半橋DC/DC變換器的PWM控制策略。

圖2 控制型軟開關(guān)PWM 控制策略

不對(duì)稱互補(bǔ)脈沖PWM控制：這種策略中開關(guān)管的控制脈沖不對(duì)稱互補(bǔ)，采用此控制策略的傳統(tǒng)不對(duì)稱半橋變換器已廣泛應(yīng)用于中小功率場(chǎng)合。其原邊開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS的方式有2種：負(fù)載電流ZVS方式和勵(lì)磁電流ZVS方式。其優(yōu)點(diǎn)是：兩個(gè)開關(guān)管都可實(shí)現(xiàn)ZVS；一些可改善移相全橋變換器滯后臂軟開關(guān)條件的措施也可用于不對(duì)稱半橋變換器；不存在硬開關(guān)中的震蕩問(wèn)題;與移相全橋變換器相比，無(wú)循環(huán)能量。其缺點(diǎn)是：開關(guān)管電壓應(yīng)力和開關(guān)管軟開關(guān)條件不一致，上管較難實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)；整流管電壓應(yīng)力不一致，且隨占空比變化，一些應(yīng)用場(chǎng)合一個(gè)整流管電壓很高，器件較難選擇；輕載時(shí)會(huì)失去軟開關(guān)條件;變壓器直流偏磁，負(fù)載越重占空比越小，偏磁越嚴(yán)重；非常不適用于寬輸入或?qū)捿敵鲭妷旱膽?yīng)用場(chǎng)合。

移相脈沖PWM控制：由圖可見(jiàn)采用此控制策略的半橋也稱為雙有源半橋。此控制策略與傳統(tǒng)的移相全橋拓?fù)漕愃?，區(qū)別在于移相的兩個(gè)橋臂分布在變壓器的原副邊。此拓?fù)渲校儔浩鞯穆└惺侵虚g儲(chǔ)能元件。原副邊半橋各產(chǎn)生一個(gè)占空比為50%的方波，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出兩個(gè)橋之間的移相來(lái)控制變壓器漏感的能量從而調(diào)節(jié)輸出電壓。此拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍的軟開關(guān)，同時(shí)輸出又能獲得同步整流。其缺點(diǎn)是：循環(huán)能量非常大，輸出電流紋波大。為了改善輸出電流紋波大的缺點(diǎn)，移相ZVS半橋電路被提出。

脈沖移位PWM控制：此控制策略為上管下降沿與下管前沿互補(bǔ)，脈寬相同?？蓪?shí)現(xiàn)下管的ZVS開通，上管仍然是硬開關(guān)。其優(yōu)點(diǎn)是：可減少部分開關(guān)損耗;變壓器不存在直流偏磁；整流管電壓應(yīng)力對(duì)稱；寬范圍輸入上優(yōu)于不對(duì)稱半橋。增加輔助電路可實(shí)現(xiàn)上管的ZVS。

最后為不對(duì)稱脈沖PWM控制：其原理為其下管下降沿與上管的前沿互補(bǔ)，上管可實(shí)現(xiàn)ZVS。只要設(shè)計(jì)的占空比較小，無(wú)需其它措施即使工作在較高頻率下開關(guān)損耗也很小。變壓器直流偏磁，除占空比端點(diǎn)外，偏磁電流小于不對(duì)稱半橋。寬范圍適用性優(yōu)于傳統(tǒng)的不對(duì)稱半橋。低壓大電流的應(yīng)用場(chǎng)合有一定的優(yōu)勢(shì)。

小結(jié)

本文中比較全面的根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合分析和綜合比較了半橋DC/DC電路中的PWM策略。其詳盡總結(jié)了四種采用控制型的半橋DC/DC變換器PWM控制策略以及緩沖型軟開關(guān)半橋DC/DC變換器PWM控制策略，為我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)的選擇提供了依據(jù)。