Vergleich zwischen Halbbrücken-Resonanzwandler und Halbbrücken-Sperrwandler

Vergleich zwischen Halbbrücken-Resonanzwandler und Halbbrücken-Sperrwandler

Mit der Entwicklung von Schaltnetzteilen wurde die Soft-Switching-Technologie weit verbreitet und angewendet, und viele hocheffiziente Schaltungstopologien wurden untersucht, hauptsächlich Soft-Switching-Topologien vom PFM-Typ und Soft-Switching-Topologien vom PWM-Typ.

In den letzten Jahren ergab sich mit der weit verbreiteten Anwendung des Halbleiterbauelements GAN der dritten Generation und der kontinuierlichen Weiterentwicklung von PD-Stromversorgungen eine weitere Chance für die Entwicklung von Leistungswandlern. Bei Halbbrückenwandlern kann bei richtiger Auslegung eine weiche Schaltumwandlung erreicht werden, sodass das Schaltnetzteil einen höheren Wirkungsgrad aufweist und die Größe des Netzteils erheblich reduziert wird.

1 Funktionsprinzip zweier Konverter

1.1 Halbbrücken-Sperrwandler

Abbildung 1 und Abbildung 2 zeigen jeweils den Schaltplan und die Arbeitswellenform des Halbbrücken-Sperrwandlers.

Abbildung 1 enthält zwei komplementär gesteuerte Leistungs-MOSFETs (S1 und S2), wobei das Tastverhältnis von S1 D und das Tastverhältnis von S2 (1-D) beträgt; einen DC-Sperrkondensator Cr, dessen Spannung als Stromversorgung verwendet wird, wenn S2 eingeschaltet ist; einen Transformator Tr mit Mittelanzapfung, dessen Primärwindungen Np und Sekundärwindungen Ns sind; eine Ausgangsgleichrichterdiode D1; einen Ausgangsfilterkondensator Cout; und Ausgangsgleichrichterröhren-Spitzenabsorptionswiderstände und Kondensatoren R1 und C1.

Wie aus dem schematischen Diagramm ersichtlich ist, ist der Primärteil des Halbbrücken-Sperrwandlers derselbe wie der herkömmliche asymmetrische Halbbrückenwandler (AHB), und der Sekundärteil ist derselbe wie der Sperrwandler. Das Funktionsprinzip des Halbbrücken-Sperrwandlers im stationären Zustand ist wie folgt.

1) Wenn S1 eingeschaltet und S2 ausgeschaltet ist, liegt auf der Primärseite des Transformators eine Durchlassspannung an und die Sekundärseite Ns funktioniert nicht. die Diode D1 ist ausgeschaltet; der Transformator speichert Energie;

2) Wenn S2 eingeschaltet und S1 ausgeschaltet ist, wird die Spannung am DC-Sperrkondensator Cr an die Primärseite des Transformators angelegt, die Sekundärseite Ns2 arbeitet und die Diode D1 wird eingeschaltet.

In Abbildung 2 gilt n1=Np/Ns und n1=n. Durch Analyse der Schaltung erhält man die Berechnungsformel für das Tastverhältnis D des Halbbrücken-Sperrwandlers:

Der Halbbrücken-Resonanzwandler wird allgemein als LLC-Resonanzwandler bezeichnet. Die Abbildungen 3 und 4 zeigen das Schaltbild bzw. die Betriebswellenform des Halbbrücken-Resonanzwandlers.

In Abbildung 3 gibt es zwei Leistungs-MOSFETs (S1 und S2), die beide ein Tastverhältnis von 0,5 haben; einen Resonanzkondensator Cr, einen Transformator Tr mit Mittelanzapfung und gleichen Windungen auf der Sekundärseite, eine Streuinduktivität Lk von Tr und eine Erregerinduktivität Lm. Lm ist in einem bestimmten Zeitraum auch ein Resonanzinduktor. Daher bestehen die Resonanzelemente im Halbbrücken-Resonanzwandler hauptsächlich aus den oben genannten drei Resonanzelementen, nämlich dem Resonanzkondensator Cr, der Induktivität Lk und der Erregerinduktivität Lm; die Halbbrücken-Vollwellengleichrichterdioden D1 und D2 und den Ausgangskondensator Cout.

1)〔t1, t2〕Bei t=t1 wird S2 ausgeschaltet und der Resonanzstrom entlädt die parasitäre Kapazität von S1, bis die Spannung an S1 Null ist, und dann wird die Body-Diode von S1 eingeschaltet. In dieser Phase ist D1 eingeschaltet und die Spannung an Lm wird durch die Ausgangsspannung begrenzt, sodass nur Lk und Cr an der Resonanz beteiligt sind.

2)〔t2, t3〕Wenn t=t2, wird S1 unter Nullspannungsbedingungen eingeschaltet und die Primärseite des Transformators wird einer Durchlassspannung ausgesetzt; D1 bleibt weiterhin eingeschaltet und S2 und D2 sind ausgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt nehmen Cr und Lk an der Resonanz teil, während Lm nicht an der Resonanz teilnimmt.

3)〔t3, t4〕Bei t=t3 ist S1 immer noch eingeschaltet, während D1 und D2 ausgeschaltet sind und die Sekundärseite von Tr vom Stromkreis getrennt ist. Zu diesem Zeitpunkt nehmen Lm, Lk und Cr gemeinsam an der Resonanz teil. In der tatsächlichen Schaltung ist Lm viel größer als Lk, sodass davon ausgegangen werden kann, dass der Erregerstrom und der Resonanzstrom in diesem Stadium unverändert bleiben.

4)〔t4, t5〕Bei t=t4 wird S1 ausgeschaltet und der Resonanzstrom entlädt die parasitäre Kapazität von S2, bis die Spannung an S2 Null ist, und dann wird die Body-Diode von S2 eingeschaltet. In dieser Phase wird D2 eingeschaltet und die Spannung an Lm wird durch die Ausgangsspannung begrenzt. Daher nehmen nur Lk und Cr an der Resonanz teil.

5)〔t5, t6〕Wenn t=t5, wird S2 unter Nullspannungsbedingungen eingeschaltet und die Primärseite von Tr wird einer Sperrspannung ausgesetzt; D2 bleibt weiterhin eingeschaltet, während S1 und D1 ausgeschaltet sind. Zu diesem Zeitpunkt nehmen nur Cr und Lk an der Resonanz teil, und die Spannung an Lm wird durch die Ausgangsspannung begrenzt und nimmt nicht an der Resonanz teil.

6)〔t6, t7〕Bei t=t6 ist S2 immer noch eingeschaltet, während D1 und D2 ausgeschaltet sind und die Sekundärseite von Tr vom Stromkreis getrennt ist. Zu diesem Zeitpunkt nehmen Lm, Lk und Cr gemeinsam an der Resonanz teil. In der tatsächlichen Schaltung ist Lm viel größer als Lk. Daher kann davon ausgegangen werden, dass der Erregerstrom und der Resonanzstrom in diesem Stadium unverändert bleiben.

Durch die obige detaillierte Analyse verfügen wir über ein gewisses Verständnis der Funktionsprinzipien und Eigenschaften dieser beiden Arten von Soft-Switching-Wandlern. Im Folgenden werden die Unterschiede zwischen ihnen verglichen, um unser Verständnis weiter zu vertiefen.

2 Vergleich der Unterschiede zwischen den beiden Konvertern

Obwohl der Halbbrücken-Sperrwandler und der Halbbrücken-Resonanzwandler beide weichschaltende Wandler sind, gibt es wesentliche Unterschiede zwischen den beiden. Der Halbbrücken-Sperrwandler ist vom PWM-Typ, während der Halbbrücken-Resonanzwandler vom PFM-Typ ist. Daher weisen sie große Unterschiede in den Steuerungsmethoden, der Spannungsbelastung der sekundären Gleichrichterröhre und der Strombelastung der Primärseite auf. Diese Unterschiede werden im Folgenden im Detail analysiert.

2.1 Vergleich der Kontrollmethoden

Der Halbbrücken-Sperrwandler passt die Ausgangsspannung an, indem er das Tastverhältnis der Schaltröhre anpasst. Wenn der Variationsbereich der Eingangsspannung relativ groß ist, ist auch der Variationsbereich des Tastverhältnisses der Schaltröhre relativ groß. Theoretisch kann das Tastverhältnis des Halbbrücken-Sperrwandlers 0,5 überschreiten und sich so an einen größeren Eingangsspannungsbereich anpassen. Daher sind die Ausschalt-Wartungszeiteigenschaften des Halbbrücken-Sperrwandlers relativ gut und können in Fällen mit relativ hohen Anforderungen an die Ausschalt-Wartungszeit weit verbreitet eingesetzt werden.

Im Vergleich zum Halbbrücken-Sperrwandler passt der Halbbrücken-Resonanzwandler die Ausgangsspannung durch Anpassen der Schaltfrequenz an, d. h. sein Tastverhältnis bleibt bei unterschiedlichen Eingangsspannungen unverändert. Theoretisch wird das Tastverhältnis des Halbbrücken-Resonanzwandlers 0,5 nicht überschreiten. Daher ist sein Eingangsspannungsbereich im Vergleich zum Halbbrücken-Sperrwandler relativ schmal und die Ausschaltzeiteigenschaften sind relativ schlecht.

2.2 Vergleich der Spannungsbelastung des sekundären Gleichrichters

Durch die Analyse des Funktionsprinzips des Halbbrücken-Sperrwandlers kann die Berechnungsmethode für die Spannungsbelastung der Sekundärdiode wie in der folgenden Formel dargestellt ermittelt werden:

Wenn sich die Eingangsspannung ändert, kann auf diese Weise die Änderung der Sekundärdiodenspannung verstanden werden.

Abbildung 5 zeigt die Spannungsänderung am sekundären Gleichrichter, wenn die Ausgangsspannung 48 V beträgt. Wenn die Eingangsspannung relativ hoch ist, ist die Spannung an D1 relativ hoch. Daher muss D1 eine Diode mit einer relativ hohen Spannungsfestigkeit verwenden, was den Schaltungsverlust und die Materialkosten erhöht.

Unter den gleichen Bedingungen ist die Spannungsbelastung der Sekundärdiode im Halbbrücken-Resonanzwandler viel geringer als die im Halbbrücken-Sperrwandler, da die Spannungsbelastung der Sekundärdiode im Halbbrücken-Resonanzwandler das Doppelte der Ausgangsspannung beträgt. Daher kann im Halbbrücken-Resonanzwandler eine Diode mit einer relativ niedrigen Spannungsfestigkeit gewählt werden, wodurch der Wirkungsgrad der Schaltung verbessert und die Materialkosten gesenkt werden.

2.3 Vergleich des Einschaltens der Sekundärdiode

Aus der Analyse des Halbbrücken-Sperrwandlers ist ersichtlich, dass seine Sekundärdiode hart eingeschaltet ist und der Verlust relativ groß ist. Aus der Analyse des Halbbrücken-Resonanzwandlers geht jedoch hervor, dass seine Sekundärdiode ein Nullstromschalter ist und der Verlust relativ gering ist, was den Wirkungsgrad des Wandlers verbessern kann. Daher ist der Gesamtwirkungsgrad des Halbbrücken-Sperrwandlers theoretisch etwas schlechter als der des Halbbrücken-Resonanzwandlers (aber immer noch weitaus besser als bei anderen Wandlern).

2.4 Sonstige Aspekte

Erstens sind im Halbbrücken-Sperrwandler die Arbeitszyklen der oberen und unteren Schalter komplementär, sodass der Transformator im Halbbrücken-Sperrwandler ein DC-Vorspannungsphänomen aufweist; Während beim Halbbrücken-Resonanzwandler die Arbeitszyklen der oberen und unteren Schalter gleich sind, weist der Transformator im Halbbrücken-Resonanzwandler kein DC-Bias-Phänomen auf.

Zweitens passt der Halbbrücken-Resonanzwandler die Ausgangsspannung durch Anpassen der Betriebsfrequenz der Schaltröhre an, sodass es für den Halbbrücken-Resonanzwandler komplizierter ist, eine synchrone Gleichrichtungssteuerung zu erreichen. Während der Halbbrücken-Sperrwandler die Ausgangsspannung durch Anpassen des Arbeitszyklus der Schaltröhre anpasst, ist es für den Halbbrücken-Sperrwandler relativ einfach, eine synchrone Gleichrichtungssteuerung zu erreichen.

2.5 Aktueller Stress

Durch die Analyse des Halbbrücken-Resonanzwandlers ist ersichtlich, dass seine Strombelastung relativ hoch und die Ausgangsstromwelligkeit relativ groß ist; Beim Halbbrücken-Sperrwandler hingegen ist die Strombelastung relativ gering und die Ausgangsstromwelligkeit relativ gering.

2.6 Ausgangsspannungsbereich

Durch die Analyse des Steuerprinzips des Halbbrücken-Sperrwandlers lässt sich erkennen, dass der Ausgangsspannungsbereich des Halbbrücken-Sperrwandlers breiter ist, während der Ausgangsspannungsbereich des Halbbrücken-Resonanzwandlers sehr schmal ist. Daher ist im Bereich der PD-Stromversorgung mit mehreren Ausgangsspannungen der Halbbrücken-Sperrwandler besser geeignet und ein DC/DC-Wandler kann entfallen.

3 Fazit

Durch die Analyse und Erforschung des Halbbrücken-Sperrwandlers und des Halbbrücken-Resonanzwandlers sowie durch den Vergleich ihrer Steuermethoden, der Spannungsbelastung des Sekundärgleichrichters und der Sekundäröffnung kann festgestellt werden, dass der Halbbrücken-Resonanzwandler besser für die Entwicklungsanforderungen der Stromversorgung nach hoher Effizienz geeignet ist; während der Halbbrücken-Sperrwandler besser für den PD-Stromversorgungsbereich geeignet ist.