不对称半桥同步整流DC/DC变换器

0 引言

目前，对低压大电流输出变换器的研究已经成为重要的课题之一，如何提高这类变换器的效率是研究的重点。在传统的DC/DC变换器中，对于低的输出电压，即使采用通态电压只有0.5V的肖特基二极管作为输出的整流器件，其输出压降造成的损耗亦相当可观。同步整流技术可有效减小整流损耗，适合同步整流技术的拓扑有多种形式，其中，采用同步整流的不对称半桥变换器具有显著优势，下面将对该变换器的工作原理，同步整流驱动方式的选择以及同步整流管损耗作详尽的分析。

1 不对称半桥变换器

不对称半桥DC/DC变换器是一种采用互补控制技术的变换器，与对称半桥变换器不同，该变换器两个主开关管的导通时间不相等，而是互补的，“不对称”由此而来。相对于其他电路拓扑，不对称半桥DC/DC变换器具有众多优点，诸如实现了软开关；开关电压应力小；结构简单，所用元器件少；由于变压器副边是中心抽头型，输出滤波电感较小。将同步整流技术与不对称半桥变换器结合使用，可使变换器适合高频工作，并能获得很高效率。

不对称半桥DC/DC变换器如图1所示。图中，S1及S2为主开关；D1及C1和D2及C2分别为S1及S2的寄生元器件；n1及n2分别为两个次级与初级的匝数比；SR1及SR2为次级同步整流管，其工作方式等效于整流二极管；Lr为变压器漏感；Lm为励磁电感，所有的电压与电流已在图中标出。

图1 不对称半桥DC/DC变换器

为了简化分析，作如下假设：

1）滤波电感足够大，工作于电流连续模式；

2）变压器励磁电感和漏感都折算到原边；

3）开关寄生电容为常量，不随电压变化；

4）所有开关管和二极管都是理想的；

5）电容Cp上的电压在一个开关周期内保持不变。

1.1 工作原理

设占空比为D，开关周期为T，S1在DT时间内导通。一个开关周期内S2上的平均电压为DVin，由于变压器的平均电压为零，因此Cp上的电压也为DVin，可将变换器的工作过程分为4个阶段，图2为主要的电压电流波形。

图2 主要的电压电流波形

阶段1〔ta～tb〕 主开关管S1开通，S2关断。此时励磁电流im以Vm/Lm的速率增加，p点电压vp=Vin(1－D)；图中it=n1iSR1－n2iSR2为变压器次级绕组反射到初级的电流，流过初级绕组的电流ip=im＋it；

阶段2〔tb～tc〕 主开关管S1及S2都关断，S2的ZVS过程开始；

阶段3〔tc～td〕 主开关管S2开通，S1关断。此时励磁电流以|Vm|/Lm的速率减小，p点电压vp=－VinD；

阶段4〔td～te〕 主开关管S1及S2都关断，S1的ZVS过程开始。

1.2 ZVS分析

S1和S2的ZVS过程是相似的，所以，这里只对S2的ZVS过程作分析，该过程〔tb～tc〕也有4个工作模态。

模态1 图1中主开关管S1关断，此时S2，D1，D2和SR2都处于关断状态，仅SR1导通。电容C2放电，电压线性下降；C1充电，电压线性上升。p点电压vp线性下降，m点电压vm也线性下降，由于电压vm仍然是正向的，因而im继续增大，但速率会下降。当vp减小到零时，im增大到最大值，整流管SR2导通，此工作模态结束。如图3(a)所示。

模态2 整流管SR1及SR2导通，S1，S2，D1，D2关断。此时，电容C1及C2和漏感Lr开始谐振，C2上的电压继续下降，vp转为负值。由于SR1及SR2导通，vm和vf为零，励磁电流im保持不变。在次级，iSR2增大，同时iSR1减小，因而it=n1iSR1－n2iSR2下降。当it下降到零时，此模态结束。如图3(b)所示。

模态3 SR1及SR2仍导通，S1，S2，D1，D2仍关断，电容C1及C2和漏感Lr继续谐振。此时it已经换向，当C2上电压下降为零时，D2导通，该模态结束。此时导通S2，S2为零电压开通。如图3(c)所示。

模态4 S2，D2，SR1，SR2导通，S1及D1关断。此时漏感上电压为－VinD，ip线性下降，it反向增大，当it反向增大到n2iSR2时，SR1关断。如图3(d)所示。

（a） 模态1

（b） 模态2

（c） 模态3

（d） 模态4

图3 S2的ZVS过程