零电压开关准谐振半桥变换器的系统建模和研究

零电压开关准谐振半桥变换器的系统建模和研究

穆新华 吴 波

摘要 分析了零电压开关准谐振半桥DC/DC变换器的工作原理和主电路谐振元件参数的计算方法，推出了以MC34067芯片为控制核心的系统闭环模型，通过原理样机的实验验证，表明计算方法和系统模型是合理正确的，为相关变换器的研究打下了良好的基础。 关键词：零电压开关 谐振 变换器 模型 闭环

Research and Modeling of Zero-Voltage-Switching

Quasi-Resonant Half Bridge Converter

Mu Xinhuan Wu Bo(Nanjing University of Aeronautics & Astronautics 210016 China)

Abstract The operating principle of Zero-Voltage-Switching (ZVS)

Quasi-Resonant Half-Bridge converter and calculating method of resonant element parameter are analyzed.The closed loop model of converter based on control chip MC34067 is presented.Furthermore,the experimental results of a prototype converter are given to verify the correct of the method and model,which provide good base for the research of relevant converters.

Keywords:Zero-Voltage-Switching Resonant Converter Model Closed-loop

1 引言

随着电力电子技术的不断发展，功率变换器的高频化是人们研究的主要课题之一。然而，在常规的PWM功率变换器中，其功率器件工作在硬开关方式，在器件的开通及关断过程中，功率器件两端的电压与通过器件的电流存在交越现象，其开关损耗随着开关频率的升高而显著增加，同时，开关器件的输出电容和电感元件使得开关器件工作在容性开通和感性关断状态下，其过高的

和

将产生强的电磁干扰，开关过程容易造成功率器件的工

作失效。因此，近年来其软开关PWM变换技术引起了人们的极大兴趣，这种变换技术综合了PWM和谐振技术的优点，其中谐振技术用以软化开关过程，开关过程一旦完成后便回到常规的PWM工作方式。本文针对半桥型DC/DC功率变换器的拓扑结构，分析了主电路谐振元件参数的设计过程，并推出了以MC34067控制芯片为控制单元的零电压开关准谐振变换器的系统闭环模型，通过原理样机的制作和实验，验证了设计过程和系统模型的正确性，为相关变换器的研究开发打下了基础。

2 工作原理分析

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零电压开关准谐振半桥变换器的主电路拓扑结构如图1所示，谐振电容C1和C2为MOSFET管的输出电容(C1=C2=Coss)，VD1和VD2为MOSFET管的体二极管，L为总的谐振电感，它包含了高频变压器的漏感和外加电感，变压器变比用N表示。

图1 半桥变换器主电路拓扑

Fig.1 Main circuit topology of half bridge converter

根据零电压开关准谐振半桥变换器的工作特点，在一个变换周期里可分为四个工作阶段［1］，其相应的工作波形如图2所示。

图2 一个变换周期四个工作阶段的工作波形

Fig.2 Voltage waveform under the four stages of a period

2.1 电容充电阶段［t0,t1］

在t=t0时刻VT1被关断，C1上电压线性上升，C2上电压线性下降，即有

(1)

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(2)

当vC1(t)=vC2(t)=Vs/2时，此工作阶段结束，其持续时间为

(3)

2.2 谐振工作阶段［t1，t2］

t1=t2时刻以后，C1上电压继续上升，C2电压继续下降，则变压器一次绕组电压极性变负，一次电流开始下降，为维持输出电流I0、VDr1和VDr2同时导通，变压器二次侧呈现短路状态，C1、C2和电感L一起形成串联谐振电路，即有

(4) (5) (6)

式中

当vC2(t)=0时，此工作阶段结束，其持续时间为

(7)

2.3 电感放电阶段［t2,t3］

在vC2(t)变为0后，VT2的反并联二极管VD2开始导通，恒定的电压压器一次电流线性下降，即有

加在L上，变

(8)

当时，此工作阶段结束，其持续时间为

(9)

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2.4 恒流阶段［t3，t4］

在t=t3，整流管VDrl关断，一次电流I0/N流过VT2，C2上电压为0，C1上电压为Vs，当VT2关断时此过程结束。若将这四阶段视为一个变换周期用Tcon表示，那么半桥变换器的一个开关周期Ts中将包含两个这样的变换周期。恒流阶段的持续时间为

(10)

3 主电路谐振元件参数设计

分别定义变换器的直流电压变换比

个换周期中输入能量和输出能量相等可获得

与归一化负载电阻，则通过一

(11)

式中 fcon—变换频率 f0—谐振频率

由公式(4)、(5)可知，获得ZVS的条件是

(12)

即

考虑到输入电压和输出负载电流的变化，一般取

(13)

式中 即有

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(14)

(15)

将式(13)代入方程(11)得

(16)

另一方面，最小变换频率发生在最低输入电压、最大输出电流下，即

将其代入式(11)得

(17)

4 系统建模及闭环设计

零电压开关准谐振半桥变换器闭环控制原理如图3所示，输出电压通过采样环节(分压器)被反馈到误差放大器输入端，用误差放大器输出电压来控制开关频率以维持输出电压恒定。其中GD(s)为驱动级传递函数，GP(s)为功率级传递函数，GEA(s)为误差放大器传递函数，H(s)采样传递函数。

图3 零电压开关准谐振半桥变换器闭环控制方框图 Fig.3 Closed-loop system block diagram of the

ZVS half bridge converter

4.1 驱动级传递函数GD(s)

驱动级包括一个电压控制振荡器，一个设置恒定关断时间的电路和输出级，其中电压

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