廖鸿飞，梁奇峰，熊宇
（中山火炬职业技术学院电子工程系，广东中山5208436）
摘要：为了提高充电器效率和简化电路结构，采用不对称半桥反激式变换器作为锂电池充电器的主电路，详细分析不对称半桥反激变换器的工作原理和软开关条件，给出主电路参数之间的关系式，并利用关系式设计150 W样机进行实验验证；实验结果表明，所有功率器件均实现了软开关。采用不对称半桥反激变换器设计的锂电池充电器具有结构简单，效率高，电磁干扰小的优点。
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关键词 ：不对称半桥；反激变换器；ZVS；软开关条件
中图分类号：TN720?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）14?0149?03
收稿日期：2015?01?25
基金项目：中山市工业攻关项目：微型光伏并网逆变器的应用研究（20123A368）
0 引言
传统的反激变换器由于结构简单，成本低等特点在充电器设计中得到了广泛应用，然而由于反激变换器的开关元件工作在硬开关状态，效率低，EMI干扰大[1]，因此不适合于大功率场合的应用。不对称半桥变换器是一种新型的软开关变换器，效率高，EMI干扰小，但是结构较为复杂，并且变压器容易出现偏磁而导致损坏。
不对称半桥反激变换器结合了反激变换器及不对称半桥的优点，利用变压器的漏感与隔值电容的谐振，使得原边开关管实现了ZVS，副边二极管工作于ZCS状态，因此开关损耗和EMI干扰得到了大幅度的减小，并且由于变压器工作于反激状态，克服了不对称半桥变换器偏磁的缺点，使得不对称半桥反激变换器受到了学者的关注。
本文对不对称半桥反激的工作原理及参数设计进行了详细分析，并设计了150 W 的实验样机，对不对称半桥反激变换器的参数设计及性能进行了验证。
1 不对称反激半桥变换器的工作原理分析
1.1 变换器工作模态分析
不对称半桥反激变换器的结构图[2]如图1所示，该图中Vin为直流输入电压；开关管Q1和Q2为变换器中半桥结构的2个开关管，Q1，Q2为互补驱动，DS1和DS2分别为开关管Q1 和Q2 的体二极管；CS1 和CS2 为开关管Q1 和Q2的寄生电容；Cr为隔直电容；Lm为励磁电感，Lr为变压器漏感，变压器的变比为n；输出端D 为副边整流二极管，C 为输出滤波电容，R 为负载。
不对称半桥反激变换器的工作波形如图2所示，在一个开关周期中，不对称半桥反激变换器有6种状态[3]。
状态1（t0~t1）：当t=t0 时，变换器上管Q1 导通，Q2 断开，Q2的D?S间电压为Vin，变压器原边电压为正，副边二极管反偏截止；此时Lr和Lm串联，在输入电压作用下，电流线性上升，变压器存储磁场能量。输出滤波电容向负载提供能量。
状态2（t1~t2）：当t=t1时，Q1关断，由于ir为正，此时，ir将给Q1 的寄生电容Cs1 充电，给Q2 的寄生电容Cs2 放电，使得Q1的D?S间电压Vds1线性上升，Q2的D?S间电压Vds2线性下降。当t=t2时，Vds2下降到零。
状态3（t2~t3）：当t=t2 时，Vds2 下降到零，而ir 为正，因此，Q2的寄生二极管Ds2导通，此时若施加驱动信号于Q2的栅极，Q2 将实现零电压开通，即ZVS。当Vds2 下降到零，变压器激磁电感两端电压将反向，副边二极管D将正偏导通，Lm 两端的电压将箝位在nVo。变压器的漏感Lr与隔值电容Cr发生谐振，存储在励磁电感中的能量将向副边传递，由于副边电流的存在，原边电流ir 与励磁电感电流im不相等。
状态4（t3~t4）：当t=t3时，施加驱动信号于Q2的栅极，Q2 零电压开通，原边漏感Lr与Cr谐振，输出电路维持导通，输出电流iD开始增加。
状态5（t4~t5）：当t=t4 时，Q2 关断，为了防止Q1，Q2 同时导通，Q1，Q2 同时保持关断。初级电流ir 给开关管Q1的，初级电流ir 给开关管Q1 的反并联电容CS1 放电，同时给开关管Q2 的寄生电容CS2 充电，变压器初级电流ir开始正向增大，当t=t5时，Cs1放电完毕，Vds1下降到零。
状态6（t5~t6）：当t=t5时，Cs1两端电压下降到零，原边电流ir 开始流过Q1 的寄生二极管Ds1。同时原边电流ir近似线性增加，当t=t6时，给Q1栅极施加驱动信号，Q1导通，此时Q1为零电压导通。当t=t6时，励磁电感电流im与漏感电流ir相等，副边二极管D内电流为零时自然关断，即实现了ZCS。
1.2 软开关条件分析
1.2.1 Q1的ZVS条件
由状态5和状态6的分析可知，要使得Q1实现ZVS，Lr 必须有足够的能量，使得Q1 寄生电容Cs1 两端的电压从Vin被放电至零，Q2的寄生电容Cs2两端的电压[4]被充电至Vin，因此有：
1.2.2 死区时间的选取
为了防止Q1，Q2直通，在Q1与Q2驱动信号之间需要加入死区时间。在死区时间内，原边电流给Q1，Q2的寄生电容进行充放电，以实现软开关，因此死区时间必须大于Q1，Q2寄生电容的充放电时间，以保证Q1，Q2能实现软开关，能够实现零电压开通的的最小死区时间为：
当Q1，Q2的寄生电容充放电完毕，而Q1，Q2的栅极仍未施加驱动信号时，原边电流将通过Q1，Q2的体二极管流动，即状态3和状态6，由于Mosfet的体二极管的压降通常比较大，将造成较大的损耗，因此需要合理选择死区时间，尽量缩短状态3和状态6的时间。
2 参数计算
（1）在整个变换器中个，变压器参数的设计是关键，对于磁性元件，应满足伏秒积分平衡法则，即励磁电压和时间的乘积等于去磁电压和时间的乘积，即：
由于电容电压不能突变，因此在稳态工作时，隔值电容上的电压基本保持固定，即：Vcr = DVin ，因此变压器匝比为：
3 实验验证
根据上述的参数设计方法，设计了150 W 的充电器，输入电压为Vin = 390 V ，输出电压为Vo = 24 V ，输出电流为Io = 6 A ，开关频率为65 kHz ，Lr = 32 μH ，Lm = 750 μH ，Cr = 3.3 μF ，变压器采用PQ32/30 磁芯，采用L6591为控制芯片。
图3为Q2的驱动波形及DS的波形，Q1，Q2之间留有一定的死区时间。从波形中可见，Q2导通前，其DS电压已经下降到零，Q1，Q2均实现了ZVS。图4为二极管电流与电压波形，从图中可见，二极管关断前电流已经下降到零，副边二极管实现了ZCS。
4 结语
针对反激变换器开关损耗大，电磁干扰大的特点，将传统反激变换器与不对称半桥相结合，研究设计了一种不对称半桥反激变换器为主电路的锂电池充电器；分析不对称半桥反激变换器的工作原理和实现软开关的条件，给出了参数设计方法。实验结果表明，上述设计方法是切实有效的，不对称半桥反激变换器能很好地实现软开关，提高效率，减小电磁干扰。
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参考文献
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作者简介：廖鸿飞（1982—）男，湖南常宁人，工程师，硕士。研究方向为高性能智能电源、非线性控制。