[發(fā)明專(zhuān)利]一種非對(duì)稱(chēng)半橋反激變換器及其設(shè)計(jì)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210967240.3
• 申請(qǐng)日: 2022-08-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN115347794A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-11-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姚凱;荊子琦;湯其媛;張士順
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H02M3/335
• 分類(lèi)號(hào): H02M3/335;H02M1/00;H02M1/44
• 代理公司: 北京和信華成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11390
• 代理人: 張菊萍

本發(fā)明公開(kāi)了一種非對(duì)稱(chēng)半橋反激變換器及其設(shè)計(jì)方法，包括主功率電路和控制電路的設(shè)計(jì)，以及諧振電容上電壓波動(dòng)和諧振時(shí)間的推導(dǎo)。主功率電路包含平面變壓器的設(shè)計(jì)：采用PPPSSS的繞法采用原邊的一匝作為屏蔽層大幅減小原副邊耦合電容，同時(shí)不需要額外串諧振電感以減小損耗。根據(jù)諧振電容電壓波動(dòng)的推導(dǎo)可設(shè)計(jì)合理的諧振電容容值，根據(jù)諧振時(shí)間的推導(dǎo)可以得到合適的諧振時(shí)間以實(shí)現(xiàn)副邊同步整流管的零電流關(guān)斷，同時(shí)減小諧振腔內(nèi)電流環(huán)流從而提升效率。本發(fā)明可以在寬輸入電壓、輸出電壓和功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)以達(dá)到高效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電能變換裝置的直流-直流變換器技術(shù)，特別是一種非對(duì)稱(chēng)半橋反激變換器及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

隨著便攜電子設(shè)備的廣泛使用，電子設(shè)備充電適配器成為了必需品。隨著近年來(lái)手機(jī)快充等領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)于電源系統(tǒng)功率、體積提出了更高的要求，要求充電設(shè)備的充電速度快、體積小。同時(shí)隨著充電設(shè)備功率的增加，電網(wǎng)對(duì)于變換器的EMI要求也日益增高，要求滿足國(guó)家的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于手機(jī)快充移動(dòng)電子設(shè)備等所需的中小功率開(kāi)關(guān)電源，其損耗是以熱能的形式散發(fā)出去，因此對(duì)于變換器的要求可總結(jié)為是對(duì)變換器高效率、高功率密度的要求。目前常用的兩種簡(jiǎn)單實(shí)用的開(kāi)關(guān)電源拓?fù)渚軐?shí)現(xiàn)所需功率要求，一為正激變換器，另外一種為反激變換器。正激變換器的能量可以直接轉(zhuǎn)移到變壓器，不利用變壓器來(lái)存儲(chǔ)能量，變壓器因此具有更高的磁化電感且無(wú)氣隙，能夠提高變壓器利用率；變壓器的次級(jí)輸出進(jìn)行LC濾波，可以保證在減小輸出電壓紋波的同時(shí)減小晶體管上的峰值電流，從而降低電壓應(yīng)力。相較于正激變換器，反激變壓器在電路工作中主要用于存儲(chǔ)能量，在大功率場(chǎng)合的應(yīng)用受到了限制，同時(shí)變換器副邊也不需要濾波電感，在應(yīng)對(duì)寬電壓范圍輸入、寬電壓范圍輸出以及高增益要求具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，因此在小功率場(chǎng)合反激變換器是一種最佳選擇。

反激變換器在實(shí)際應(yīng)用中也存在很多問(wèn)題，一是由于常規(guī)反激電路工作在硬開(kāi)關(guān)模式，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效率，二是出于降低成本和體積的考慮，變壓器需要留有氣隙防止了磁通飽和，但這一舉措導(dǎo)致了變壓器漏感感量增大，增加了功率損耗和MOS管電壓應(yīng)力，降低變換器的效率和電路的穩(wěn)定性。此外，變換器副邊繞組引起的諧振峰值電壓，會(huì)影響開(kāi)關(guān)電源變壓器的工作效率^[3]。硬開(kāi)關(guān)模式下，變換器的EMI性能會(huì)惡化，這也限制了反激變換器在一些應(yīng)用場(chǎng)合的使用。針對(duì)反激變換器以上的三大問(wèn)題，學(xué)者針對(duì)反激變換器進(jìn)行了大量研究。

為降低反激變換器的電壓應(yīng)力和電壓尖峰，準(zhǔn)諧振電路(QR)常采用無(wú)源RCD吸收電路，消耗掉漏感中的剩余能量，限制了反激變換器的效率提升。有源鉗位反激電路(ACF)能夠有效地通過(guò)鉗位電容利用漏感中的能量，但其開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力高的問(wèn)題仍然制約了反激變換器的發(fā)展和應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的發(fā)明目的是針對(duì)上述背景技術(shù)的不足，提供了一種非對(duì)稱(chēng)半橋反激變換器及其設(shè)計(jì)方法，使變換器既能滿足寬輸入寬輸出(輸入90VAC-220VAC，輸出5V-15V，5A)的要求，效率盡可能高，功率密度盡可能大。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案：

一種非對(duì)稱(chēng)半橋反激變換器，包括主功率電路，所述主功率電路包括V_B為交流輸入電壓經(jīng)過(guò)整流橋和輸入濾波電容的母線電壓，S₁、S₂為原邊開(kāi)關(guān)管，采用GaN器件，由于GaN器件沒(méi)有體二極管但存在第三象限，因此用原理圖中與S₁、S₂并聯(lián)的二極管代表其第三象限以便描述續(xù)流過(guò)程。變壓器模型可等效為漏感為L(zhǎng)_r，勵(lì)磁電感為L(zhǎng)_m與一個(gè)匝比為n:1的理想變壓器，C_r為諧振電容，Q₁為副邊同步整流管，C_o為輸出電容，R_o為負(fù)載。

一種非對(duì)稱(chēng)半橋反激變換器的設(shè)計(jì)方法，用于上述所述的一種非對(duì)稱(chēng)半橋反激變換器，包括以下步驟：