Vergelijking tussen resonantieconverter met halve brug en flyback-converter met halve brug

Vergelijking tussen resonantieconverter met halve brug en flyback-converter met halve brug

Met de ontwikkeling van schakelende voedingen is de technologie voor zacht schakelen op grote schaal ontwikkeld en toegepast, en zijn er veel hoogefficiënte circuittopologieën bestudeerd, voornamelijk zacht schakelende topologieën van het PFM-type en zacht schakelende topologieën van het PWM-type.

De afgelopen jaren heeft dit, met de wijdverbreide toepassing van het halfgeleiderapparaat GAN van de derde generatie en de voortdurende ontwikkeling van PD-voedingen, een nieuwe kans geboden voor de ontwikkeling van stroomomvormers. Voor halfbrugconverters kan, indien goed ontworpen, zachte schakelconversie worden bereikt, zodat de schakelende voeding een hoger rendement heeft en de omvang van de voeding aanzienlijk verkleint.

1 Werkingsprincipes van twee converters

1.1 Flyback-converter met halve brug

Figuur 1 en figuur 2 tonen respectievelijk het schakelschema en de werkgolfvorm van de halve-brug-flyback-omzetter.

Figuur 1 bevat twee complementaire MOSFET's met gecontroleerd vermogen (S1 en S2), waarbij de werkcyclus van S1 D is en de werkcyclus van S2 (1-D); een DC-blokkeercondensator Cr, waarvan de spanning wordt gebruikt als voeding wanneer S2 wordt ingeschakeld; een centraal afgetapte transformator Tr, waarvan de primaire windingen Np zijn en de secundaire windingen Ns; een uitgangsgelijkrichterdiode D1; een uitgangsfiltercondensator Cout; en piekabsorptieweerstanden en condensatoren R1 en C1 van de uitgangsgelijkrichterbuis.

Zoals uit het schematische diagram blijkt, is het primaire deel van de halve brug-flyback-omzetter hetzelfde als de traditionele asymmetrische halve-brug-omzetter (AHB), en is het secundaire deel hetzelfde als de terugslagomzetter. Het steady-state werkingsprincipe van de halfbrug-flyback-omzetter is als volgt.

1) Wanneer S1 is ingeschakeld en S2 is uitgeschakeld, wordt de primaire zijde van de transformator onderworpen aan een voorwaartse spanning en werkt de secundaire zijde Ns niet; de diode D1 is uitgeschakeld; de transformator slaat energie op;

2) Wanneer S2 is ingeschakeld en S1 is uitgeschakeld, wordt de spanning op de DC-blokkeercondensator Cr aangelegd aan de primaire zijde van de transformator, werkt de secundaire zijde Ns2 en wordt de diode D1 ingeschakeld.

In Figuur 2 is n1=Np/Ns en n1=n. Door het circuit te analyseren, kan de berekeningsformule voor de werkcyclus D van de halve brug-flyback-omzetter worden verkregen:

De resonantieomzetter met halve brug wordt gewoonlijk de LLC-resonantieomzetter genoemd. Figuren 3 en 4 tonen respectievelijk het schakelschema en de bedrijfsgolfvorm van de halve-brugresonantieomzetter.

In figuur 3 zijn er twee vermogens-MOSFET's (S1 en S2), die beide een werkcyclus van 0,5 hebben; een resonante condensator Cr, een centraal afgetapte transformator Tr met gelijke windingen aan de secundaire zijde, een lekinductantie Lk van Tr, en een excitatie-inductantie Lm. Lm is ook een resonante inductor in een bepaalde periode. Daarom zijn de resonante elementen in de resonantieomzetter met halve brug hoofdzakelijk samengesteld uit de bovengenoemde drie resonante elementen, namelijk de resonante condensator Cr, de inductor Lk en de exciterende inductor Lm; de halfbrug-dubbelfasige gelijkrichterdiodes D1 en D2, en de uitgangscondensator Cout.

1)〔t1, t2〕Wanneer t=t1, wordt S2 uitgeschakeld, en de resonantiestroom ontlaadt de parasitaire capaciteit van S1 totdat de spanning op S1 nul is, en dan wordt de lichaamsdiode van S1 ingeschakeld. In deze fase wordt D1 ingeschakeld en wordt de spanning op Lm geklemd door de uitgangsspanning, zodat alleen Lk en Cr deelnemen aan de resonantie.

2)〔t2, t3〕Wanneer t=t2, wordt S1 ingeschakeld onder omstandigheden van nulspanning, en wordt de primaire zijde van de transformator onderworpen aan een voorwaartse spanning; D1 blijft ingeschakeld en S2 en D2 zijn uitgeschakeld. Op dit moment nemen Cr en Lk deel aan de resonantie, terwijl Lm niet deelneemt aan de resonantie.

3)〔t3, t4〕Wanneer t=t3, is S1 nog steeds ingeschakeld, terwijl D1 en D2 in de uit-stand staan, en is de secundaire zijde van Tr losgekoppeld van het circuit. Op dit moment nemen Lm, Lk en Cr samen deel aan de resonantie. In het eigenlijke circuit is Lm veel groter dan Lk, dus er kan van worden uitgegaan dat de excitatiestroom en de resonantiestroom in dit stadium onveranderd blijven.

4)〔t4, t5〕Wanneer t=t4, S1 wordt uitgeschakeld, en de resonantiestroom ontlaadt de parasitaire capaciteit van S2 totdat de spanning op S2 nul is, en dan wordt de lichaamsdiode van S2 ingeschakeld. In deze fase wordt D2 ingeschakeld en wordt de spanning op Lm vastgezet door de uitgangsspanning. Daarom nemen alleen Lk en Cr deel aan de resonantie.

5)〔t5, t6〕Wanneer t=t5, wordt S2 ingeschakeld onder omstandigheden van nulspanning, en wordt de primaire zijde van Tr onderworpen aan sperspanning; D2 blijft ingeschakeld, terwijl S1 en D1 zijn uitgeschakeld. Op dit moment nemen alleen Cr en Lk deel aan de resonantie, en de spanning op Lm wordt geklemd door de uitgangsspanning en neemt niet deel aan de resonantie.

6)〔t6, t7〕Wanneer t=t6, is S2 nog steeds ingeschakeld, terwijl D1 en D2 in de uit-stand staan, en is de secundaire zijde van Tr losgekoppeld van het circuit. Op dit moment nemen Lm, Lk en Cr samen deel aan de resonantie. In het werkelijke circuit is Lm veel groter dan Lk. Daarom kan worden aangenomen dat de excitatiestroom en de resonantiestroom in dit stadium onveranderd blijven.

Door de bovenstaande gedetailleerde analyse hebben we een zeker inzicht in de werkingsprincipes en kenmerken van deze twee soorten zacht schakelende converters. Hieronder worden de verschillen tussen beide vergeleken om ons begrip ervan verder te verdiepen.

2 Vergelijking van de verschillen tussen de twee converters

Hoewel de halve-brug-flyback-omzetter en de halve-brug-resonantie-omzetter beide zacht schakelende omzetters zijn, zijn er essentiële verschillen tussen beide. De halve-brug-flyback-omzetter is van het PWM-type, terwijl de halve-brug-resonantie-omzetter van het PFM-type is. Daarom hebben ze grote verschillen in besturingsmethoden, spanningsbelasting van de secundaire gelijkrichtbuis en stroomspanning van de primaire zijde. Deze verschillen zullen hieronder in detail worden geanalyseerd.

2.1 Vergelijking van controlemethoden

De halfbrug-flyback-omzetter past de uitgangsspanning aan door de duty-cycle van de schakelbuis aan te passen. Wanneer het variatiebereik van de ingangsspanning relatief groot is, is het variatiebereik van de werkcyclus van de schakelbuis ook relatief groot. In theorie kan de duty-cycle van de halve-brug-flyback-omzetter groter zijn dan 0,5, waardoor hij zich aanpast aan een breder ingangsspanningsbereik. Daarom zijn de kenmerken van de uitschakeltijd van de halfbrug-flyback-omzetter relatief goed, en kunnen deze op grote schaal worden gebruikt in gevallen waarin relatief hoge eisen worden gesteld aan de uitschakeltijd.

Vergeleken met de halve-brug-flyback-omzetter, past de halve-brug-resonante omzetter de uitgangsspanning aan door de schakelfrequentie aan te passen, dat wil zeggen dat de werkcyclus onveranderd blijft onder verschillende ingangsspanningen. Theoretisch zal de duty-cycle van de halvebrugresonantieomzetter niet groter zijn dan 0,5. Daarom is, vergeleken met de halve-brug-flyback-omzetter, het bereik van de ingangsspanning relatief smal en zijn de kenmerken van de uitschakeltijd relatief slecht.

2.2 Vergelijking van spanningsspanning van de secundaire gelijkrichter

Door het werkingsprincipe van de halve-brug-flyback-omzetter te analyseren, kan de berekeningsmethode van de spanningsbelasting op de secundaire diode worden verkregen, zoals weergegeven in de volgende formule:

Op deze manier kan, wanneer de ingangsspanning verandert, de verandering van de secundaire diodespanning worden begrepen.

Figuur 5 toont de verandering van de spanning op de secundaire gelijkrichter wanneer de uitgangsspanning 48V is. Wanneer de ingangsspanning relatief hoog is, is de spanning op D1 relatief hoog. Daarom moet D1 een diode gebruiken met een relatief hoge weerstandsspanning, wat het circuitverlies en de materiaalkosten zal verhogen.

Onder dezelfde omstandigheden is de spanningsspanning op de secundaire diode in de halve-brug-resonantie-omzetter veel kleiner dan die in de halve-brug-flyback-omzetter, omdat de spanningsspanning op de secundaire diode in de halve-brug-resonantie-omzetter tweemaal de uitgangsspanning is. Daarom kan in de halvebrugresonantieomzetter een diode met een relatief lage weerstandsspanning worden geselecteerd, waardoor de efficiëntie van de schakeling wordt verbeterd en de materiaalkosten worden verlaagd.

2.3 Vergelijking van het inschakelen van de secundaire diode

Uit de analyse van de halve-brug-flyback-omzetter blijkt dat de secundaire diode hard is en dat het verlies relatief groot is; terwijl uit de analyse van de resonantieomzetter met halve brug blijkt dat de secundaire diode een nulstroomschakelaar is en dat het verlies relatief klein is, wat de efficiëntie van de omzetter kan verbeteren. Daarom is het algehele rendement van de halve-brug-flyback-omzetter in theorie iets slechter dan dat van de halve-brug-resonantie-omzetter (maar nog steeds veel beter dan andere omzetters).

2.4 Overige aspecten

Ten eerste zijn in de halve brug-flyback-omzetter de werkcycli van de bovenste en onderste schakelaars complementair, zodat de transformator in de halve-brug-flyback-omzetter een DC-bias-fenomeen heeft; terwijl in de resonantieomzetter met halve brug de werkcycli van de bovenste en onderste schakelaars gelijk zijn, heeft de transformator in de resonantieomzetter met halve brug geen DC-voorspanningsverschijnsel.

Ten tweede past de resonantie-omzetter met halve brug de uitgangsspanning aan door de werkfrequentie van de schakelbuis aan te passen, dus voor de resonantie-omzetter met halve brug is het ingewikkelder om synchrone gelijkrichtregeling te bereiken; terwijl de halve brug-flyback-omzetter de uitgangsspanning aanpast door de werkcyclus van de schakelbuis aan te passen, is het voor de halve-brug-flyback-omzetter dus relatief eenvoudig om synchrone gelijkrichtregeling te bereiken.

2.5 Huidige stress

Door de analyse van de resonantieomzetter met halve brug kan worden gezien dat de huidige spanning relatief hoog is en dat de uitgangsstroomrimpel relatief groot is; terwijl in de halve-brug-flyback-omzetter de stroomspanning relatief laag is en de uitgangsstroomrimpel relatief klein is.

2.6 Uitgangsspanningsbereik

Door de analyse van het besturingsprincipe van de halve-brug-flyback-omzetter kan worden gezien dat het uitgangsspanningsbereik van de halve-brug-flyback-omzetter breder is, terwijl het uitgangsspanningsbereik van de halve-brug-resonantie-omzetter erg smal is. Daarom is op het gebied van PD-voeding met meerdere uitgangsspanningen de halfbrug-flyback-omzetter geschikter en kan een DC/DC-omzetter worden weggelaten.

3 Conclusie

Door de analyse en het onderzoek van de halve brug-flyback-omzetter en de halve-brug-resonante omzetter, en de vergelijking van hun besturingsmethoden, spanningsspanning van de secundaire gelijkrichter en secundaire opening, kan bekend worden dat de halve-brug-resonante omzetter geschikter is voor de ontwikkelingsvraag van voeding voor hoog rendement; terwijl de halfbrug-flyback-omzetter meer geschikt is voor het PD-voedingsveld.