半桥谐振转换器拓扑的比较.doc

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1、半桥谐振转换器拓扑的比较ROBERTL.STEIGERWALD，SENIOR,IEEE摘要：对用于低电压输出的半桥拓扑电源，对串联谐振、并联谐振和串并结合方式的谐振变换器进行了比较。本文展示了串并结合方式的转换器具有单纯串联谐振或并联谐振变换器的需要的特性，并且避免了二者的主要缺点。分析和面包板实验结果表明串并结合的转换器可以工作于大范围的输入电压和大范围的负载，并且各种情况下都有一个很好的效率。介绍了一种非常有用的基于经典的AC复杂分析方法的分析技巧。引言为了减小现代计算机系统电源的体积，需要提高工作频率来减小电

2、抗性的器件体积，为了减小由于更高工作频率带来的更高的开关损耗，谐振电源转换器再次激发了人们的兴趣。本文将对用于低压输出电源的串联谐振拓扑、并联谐振拓扑和串并结合方式谐振拓扑进行比较，结果表明串并结合方式转换器具有单纯串联和并联谐振变换器的需要的特点，并且避免了这两种变换器的缺点，特别是，通过分析和实验结果表明串并结合方式转换器可以工作于大范围的输入电压和大范围的负载（空载到满载），并且各种情况下保持一个很好的效率。另外，介绍了一种非常有用的基于经典AC负载分析方法的分析技术。线路描述图1描述了可以用于高频开关电源的

3、三种形式的谐振变换器。在串联负载线路，两个电容形成了容值为串联谐振电容；在并联负载转换器是唯一的谐振电容，电容只是把输入直流电压分为两半；串并负载转换器，既有串联谐振电容也有并联谐振电容。对于电源装置所有这三个转换器都会减小开关损耗。线路可以工作于高于谐振频率或低于谐振频率，作者目前发现工作频率高于谐振频率较好，这点将参考图2介绍。图2展示了谐振转换器工作频率高于谐振频率时的波形，在三种变换器中，半桥线路给谐振线路施加了一个电压方波，由于谐振线路的滤波作用，在谐振电感Lr中电流近似为正弦波，流过谐振线路的电流（流过

4、电感Lr的电流）滞后于施加到谐振线路电压（半桥线路产生的方波的基波分量），从而可知变换器的工作频率高于谐振频率。如图2所示，由FET产生的电流分别为电流正弦波的180o部分，从图2可以看出由于FET导通前反向二极管的导通使FET两端电压为零，从而FET没有开通损耗，注意，反向FET电流是由另一个FET截至引起的。例如，如果下面的FET截至，由于谐振电感的感性，原来流过FET的电流不能突变，迫使电流反方向流过上面的FET（流过反向寄生二极管），也应该注意到一旦由于线路的谐振使电流反向，导通的反向二极管有一个关断时间，

5、等于功率FET的正向导通时间，这种情况使得二极管没有开关应力，事实上，功率FETS相关的寄生二极管（双极性达林顿晶体管）有足够的速度满足线路工作于几KHz的需要。因此，对于谐振变换器，工作频率高于谐振频率的一个主要好处是没有二极管或FET开关损耗，并且二极管可以是一般速度的。但无论如何，实现这些优点，FETS必须关断电流，因此一定会承受关断损耗。但可以通过在FET两端加上一个小的缓冲期电容实现无损耗缓冲期，不需要缓冲期放电用的电阻，如此做因为不需要通过打开FET给电容放电，而是关断半桥中另一个FET给电容放电。例如

6、，当下面的FET关闭，加到上面FET两端的电容将通过负载电流放电，此时负载电流流过上面FET的反向寄生二极管。当工作与更高频存在一定的开关损耗，它是由FET漏极-源极间和漏极-栅极间电容储存能量引起的，这些容性下载导通时放电（释放相应储存的能量），当工作于更高频率和电压时这种损耗是很大的，谐振转换器工作频率大于谐振频率时，损耗被消除，如前段所讲的无损缓冲期论述的内容一样，也就是说，另一个FET关断时，储存在任何电容的能量再送给直流电源。另外，由于截至频率更低输出和输入滤波器尺寸得到最小化（低于谐振的截至频率降低来控

7、制输出，因此，滤波器设计应根据频率的最低点）。如果变换器频率低于谐振频率将会失去前面所提到的所有优点，也就是说，低于谐振频率会产生FET导通损耗、二极管开关损耗（需要高速二极管），存储在FET寄生电容的能量会放电且损耗在FET上，并且输入输出滤波器必须根据开关频率的最小值设计。工作频率低于谐振频率时，FET关断是没有损耗的，但是，由于关闭损耗可以采用无损耗缓冲器技术减小关闭损耗，对于转换器低于谐振频率这点不能成其为主要的优势。对于工作于高开关频率的大多电源应用谐振变换器高于谐振频率是一个合适的选择。下面章节将描述A

8、C分析方法，比较工作频率高于谐振频率的三种谐振变换器的各自的特点。深入的信息可参考文献【1】和【2】，他们详细讨论和分析了并联谐振变换器，参考文献【3】详细分析了串联谐振变换器，参考文献【4】论述了谐振变换器小信号稳定性，文献【5】介绍了串并结合谐振变换器，参考文献【6】分析了串并结合谐振变换器工作于工作频率低于谐振频率的情况。谐振转换器线路分析对于在此所考