一种新型交错并联半桥拓扑的直流变换器

一种新型交错并联半桥拓扑的直流变换器

李向锋 唐建业

浙江嘉科电子有限公司 浙江省嘉兴市 314000

摘要：随着电力电子技术的发展和创新，使得电源技术也在不断地创新。目前，模块电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。为满足高压宽输入、低压输出的高功率电源模块技术要求，提出一种交错并联半桥的拓扑结构，该新型转换器拓扑采用数字控制并且结合了两组半桥变换器通过相移控制方式作为全桥功率级运行。每个电源开关管的额定占空比为50％，以实现全负载范围的零电压开关（ZVS）。

关键词：开关电源；数字控制；零电压开关（ZVS）

引言

目前国内各大军工企业主要还是采购国外电源模块为主，随着军方对武器装备国产化率的要求，研究开发国产电源模块势在必行。在大功率和高密度模块电源中相移全桥是比较常见的拓扑结构。移相全桥可实现零电压开关（ZVS）工作，且具有较小的开关损耗以及较宽的输入电压范围。但是这种拓扑结构在重载时的循环电流会引起很大影响的传导损耗，而轻载时负载的循环电流变得太小则难以以实现开关管的ZVS。两种特性影响了实现最大效率的能力。因此减少循环电流并扩展在更大的负载范围内的ZVS是改善相移全桥转换器的性能两个关键领域。

本文提出一种两组开环的半桥通过相移模式下进行叠加，共用同一个输出滤波电感，电路可以保持总线转换器的优点并实现调节其输出电压。本文将介绍此拓扑并提供详细的电路进行试验。

1 主电路拓扑原理分析

通过两组改进的开环半桥总线转换器，其输出采用倍流整流滤波，功率变压器的次级中心抽头共地。当主开关切换时，Q1和Q2，以50％的占空比互补运行，变换器的输出对称方电压波形。 由于变压器的次级绕组位于中心抽头，因此可以看作是两个并联交错的正向输出，但两个输出之间的相位偏移为180º。 这使输出电感能够完全消除其输出电流纹波，从而使电源变压器和输出电感器在最佳50％占空比条件下运行。

图1开环半桥总线变换器 图2交错并联半桥变换器

借助变压器自身的磁化电感和半桥主开关管的死区时间控制，利用主开关的寄生电容和由变压器的漏感进行谐振，转换器可以实现宽负载范围的ZVS。 这个开环总线转换器可以同时实现高功率密度和高效率的少数拓扑之一。如果将两个这样的转换器组合在一起并且像全桥结构一样运行，输出共享滤波电感。这样一种新的拓扑概念交错半桥DC/DC转换器已创建。

2交错并联半桥工作模式分析

图2所示的电路具有两个交错并联的半桥变换器。在相移控制下，一个将提供超前相位，而另一个将提供一个滞后相位。通过增加谐振电感器（Lr）和两个钳位二极管（D1和D2），可实现类似于传统的移相全桥的功能。 电感器存储额外的能量以扩展软开关范围，而钳位电路的应用可将变压器初级和次级侧的电压振铃降至最低。

两组开环半桥之间可以从零改变到180°的相位偏移。当相位偏移为零度时（变换器同相），两个变换器并联运行，其工作方式与改进的开环总线转换器完全相同。 在此工作点，转换器的占空比为0.5（50％）。当相位偏移为180°时，两个变换器仍输出两个方波电压波形，由于二者为异相，因此它们的输出叠加在输出电感的节点（F1和F2）上，从而使转换器的占空比为100％，此时输出电流非常接近直流。

图3详细的交错并联半桥变换器

图4 相移模式下的波形 图5 PWM模式和相移模式的切换

该转换器上在D和1-D周期内将功率转换始终从一次侧传输到二次侧。变换器始终随时从初级流向次级。这也是初级侧没有循环电流的原因，解决了常规移相全桥初级侧循环电路大的问题，因此该转换器可适用于高密度、高效率电源模块的设计。由于 只能在0到180º之间变化，因此最小稳压输出电压为0.5×Vin/n。 当电源启动，过载时发生和短路时，转换器需要切换到PWM模式控制。图5示出了相移模式和PWM模式之间的切换。通过使用PWM控制，转换器可以将其输出调节至零伏，但是此时两组半桥变换将失去软开关功能。DC/DC电源启动通常需要不到100ms的时间，因此在此期间进行硬开关将对整体电源的性能和效率影响很小。

3工程原理样机的验证

为了验证本文提出的一种新型交错并联半桥拓扑的直流变换器可行性，进行了原理样机的研制。主要技术指标如下：

1. 输入电压范围：240～425V；

2. 输出电压：DC28V；

3. 输出功率：1000W；

4. 电压精度：≤1%；

5. 输入调整率：≤0.3%；

6. 负载调整率：≤0.3%；

7. 输出电流限流点：42～48A；

8. 效率：≥94%；

在原理样机设计中，主功率电路采用两组半桥式PWM拓扑结构，以实现变压器的分布式设计，两组半桥电路的输出侧均采用全桥式同步整流电路，降低同步整流MOS管的耐压需求，以有效降低MOSFET的导通电阻，最终提高整流器的效率，同时降低变压器绕组的损耗。两组功率电路使用统一的一组输入滤波电路。

在结构外形上将电源模块设计成标准全砖尺寸，散热基板为铝基板，引脚为黄铜合金，外壳为一体成型的高温塑料。

3.1工程原理样机实物

由于模块电源都是0.5英寸的超薄设计，在设计上采用具有扁平结构的平面磁芯，而变压器的绕组则直接采用多层PCB的铜箔直接生成，通常平面变压器需要选择较大的磁芯截面积，PCB绕组采用12层厚铜PCB，对于变压器绕组的布局，采用S-P-S的三明治结构，这样可以让磁势分布趋于平缓，从而减小PCB绕组的交流损耗。

结语

对交错并联半桥拓扑的原理样机进行测试，在实验室中已经验证了新的变换器拓扑和数字控制的概念，该拓扑结构展示出高效率、高功率密度的巨大潜力。本文探讨了一种方法实现以下目标：可独立于负载，重载和轻载的宽负载条件下实现ZVS的改进；没有循环电流和无功功率损耗；利用功率转换100％的占空比优势，实现了磁性元件最优化应用以及半导体器件最小电压应力。这些都是高功率密度、高效率电源模块所需的设计元素。交错并联半桥拓扑规避了传统移相全桥无法全负载范围实现ZVS以及较大循环电流的缺点。两组半桥变换器也能取得较好的自然均流效果，并且开环的半桥电路始终工作在软开关和高效状态。最后，原理样机的实验验证了该变换器主电路拓扑的可行性，与理论分析结果一致。

参考文献

[1] 阮新波．脉宽调制DC / DC 全桥变换器的软开关技术［M］．科学出

版社，2013．

[2] 陈仲，李梦南，汪洋. ZVS 全桥变换器辅助网络技术的比较研究［J］. 电工技术学报，2015，30(22) :89-99．

[3] 许峰, 徐殿国, 柳玉秀. 一种新型的全桥零电压零电流开关PWM 变换器[J]. 中国电机工程学报, 2004, 24(1):147-152.