Сравнение полумостового резонансного преобразователя и полумостового обратноходового преобразователя

Сравнение полумостового резонансного преобразователя и полумостового обратноходового преобразователя

С развитием импульсных источников питания технология мягкого переключения получила широкое развитие и применение, и было изучено множество топологий высокоэффективных схем, в основном топологии мягкого переключения типа PFM и топологии мягкого переключения типа PWM.

В последние годы, благодаря широкому применению полупроводниковых приборов GAN третьего поколения и постоянному развитию источников питания PD, это предоставило еще одну возможность для разработки преобразователей мощности. Для полумостовых преобразователей, если они правильно спроектированы, можно добиться преобразования с мягким переключением, так что импульсный источник питания будет иметь более высокий КПД и значительно уменьшить размер источника питания.

1 Принципы работы двух преобразователей

1.1 Полумостовой обратноходовой преобразователь

На рисунках 1 и 2 соответственно показаны принципиальная схема и форма рабочего сигнала полумостового обратноходового преобразователя.

На рисунке 1 показаны два взаимодополняющих управляемых мощных МОП-транзистора (S1 и S2), где рабочий цикл S1 равен D, а рабочий цикл S2 равен (1-D); блокирующий конденсатор постоянного тока Cr, напряжение которого используется в качестве источника питания при включении S2; трансформатор Tr с центральным отводом, первичные витки которого Np и вторичные Ns; выходной выпрямительный диод D1; конденсатор выходного фильтра Cout; и пиковые абсорбционные резисторы выходной выпрямительной трубки и конденсаторы R1 и C1.

Как видно из принципиальной схемы, первичная часть полумостового обратноходового преобразователя такая же, как у традиционного асимметричного полумостового преобразователя (AHB), а вторичная часть такая же, как обратноходовой преобразователь. Стационарный принцип работы полумостового обратноходового преобразователя заключается в следующем.

1) Когда S1 включен и S2 выключен, первичная сторона трансформатора подвергается прямому напряжению, а вторичная сторона Ns не работает; диод Д1 отключается; трансформатор хранит энергию;

2) При включении S2 и выключении S1 напряжение на запирающем конденсаторе постоянного тока Кр прикладывается к первичной стороне трансформатора, вторичная сторона Ns2 работает, и диод D1 включается.

На рисунке 2 n1=Np/Ns и n1=n. Проанализировав схему, можно получить формулу расчета рабочего цикла D полумостового обратноходового преобразователя:

Полумостовой резонансный преобразователь обычно называют резонансным преобразователем LLC. На рисунках 3 и 4 показаны принципиальная схема и форма рабочего сигнала полумостового резонансного преобразователя соответственно.

На рисунке 3 показаны два силовых МОП-транзистора (S1 и S2), рабочий цикл каждого из которых равен 0,5; резонансный конденсатор Cr, трансформатор Tr с центральным отводом и равными витками на вторичной стороне, индуктивность рассеяния Lk Tr и возбуждающая индуктивность Lm. Lm также является резонансным индуктором в определенный период времени. Следовательно, резонансные элементы в полумостовом резонансном преобразователе в основном состоят из трех вышеупомянутых резонансных элементов, а именно, резонансного конденсатора Cr, дросселя Lk и возбуждающего дросселя Lm; полумостовые двухполупериодные выпрямительные диоды D1 и D2 и выходной конденсатор Cout.

1)〔t1, t2〕Когда t=t1, S2 отключается, и резонансный ток разряжает паразитную емкость S1 до тех пор, пока напряжение на S1 не станет равным нулю, а затем основной диод S1 включается. На этом этапе включается D1, а напряжение на Lm фиксируется выходным напряжением, поэтому в резонансе участвуют только Lk и Cr.

2)〔t2, t3〕Когда t=t2, S1 включается в условиях нулевого напряжения, и на первичную сторону трансформатора подается прямое напряжение; D1 продолжает оставаться включенным, а S2 и D2 выключаются. В это время в резонансе участвуют Cr и Lk, а Lm в резонансе не участвует.

3)〔t3, t4〕При t=t3 S1 все еще включен, в то время как D1 и D2 находятся в выключенном состоянии, а вторичная сторона Tr отключена от цепи. В это время Lm, Lk и Cr вместе участвуют в резонансе. В реальной схеме Lm намного больше, чем Lk, поэтому можно считать, что ток возбуждения и резонансный ток на этом этапе остаются неизменными.

4)〔t4, t5〕Когда t=t4, S1 отключается, и резонансный ток разряжает паразитную емкость S2 до тех пор, пока напряжение на S2 не станет равным нулю, а затем основной диод S2 включается. На этом этапе D2 включается, и напряжение на Lm фиксируется выходным напряжением. Следовательно, в резонансе участвуют только Lk и Cr.

5)〔t5, t6〕Когда t=t5, S2 включается в условиях нулевого напряжения, а первичная сторона Tr подвергается обратному напряжению; D2 продолжает оставаться включенным, а S1 и D1 выключены. В это время в резонансе участвуют только Cr и Lk, а напряжение на Lm зажимается выходным напряжением и в резонансе не участвует.

6)〔t6, t7〕При t=t6 S2 все еще включен, в то время как D1 и D2 находятся в выключенном состоянии, а вторичная сторона Tr отключена от цепи. В это время Lm, Lk и Cr вместе участвуют в резонансе. В реальной схеме Lm намного больше, чем Lk. Поэтому можно считать, что ток возбуждения и резонансный ток на этом этапе остаются неизменными.

Благодаря приведенному выше подробному анализу у нас есть определенное понимание принципов работы и характеристик этих двух типов преобразователей с мягким переключением. Ниже мы сравним различия между ними, чтобы еще больше углубить наше понимание их.

2 Сравнение различий между двумя преобразователями

Хотя полумостовой обратноходовой преобразователь и полумостовой резонансный преобразователь являются преобразователями с мягким переключением, между ними существуют существенные различия. Полумостовой обратноходовой преобразователь имеет ШИМ-тип, а полумостовой резонансный преобразователь — ЧИМ. Поэтому они имеют большие различия в методах управления, напряжении вторичной выпрямительной трубки и токовом напряжении первичной стороны. Эти различия будут подробно проанализированы ниже.

2.1 Сравнение методов управления

Полумостовой обратноходовой преобразователь регулирует выходное напряжение, регулируя рабочий цикл трубки переключателя. Когда диапазон изменения входного напряжения относительно велик, диапазон изменения рабочего цикла трубки переключателя также относительно велик. Теоретически рабочий цикл полумостового обратноходового преобразователя может превышать 0,5, тем самым адаптируясь к более широкому диапазону входного напряжения. Таким образом, характеристики времени обслуживания при выключенном питании полумостового обратноходового преобразователя относительно хорошие и могут широко использоваться в случаях с относительно высокими требованиями ко времени обслуживания при выключенном питании.

По сравнению с полумостовым обратноходовым преобразователем полумостовой резонансный преобразователь регулирует выходное напряжение путем регулирования частоты переключения, то есть его рабочий цикл остается неизменным при различных входных напряжениях. Теоретически коэффициент заполнения полумостового резонансного преобразователя не будет превышать 0,5. Таким образом, по сравнению с полумостовым обратноходовым преобразователем его диапазон входного напряжения относительно узок, а характеристики времени поддержания в выключенном состоянии относительно плохие.

2.2 Сравнение напряжения вторичного выпрямителя

Анализируя принцип работы полумостового обратного преобразователя, метод расчета напряжения напряжения на вторичном диоде можно получить, как показано в следующей формуле:

Таким образом, когда изменяется входное напряжение, можно понять изменение напряжения вторичного диода.

На рисунке 5 показано изменение напряжения на вторичном выпрямителе при выходном напряжении 48В. Когда входное напряжение относительно высокое, напряжение на D1 также относительно высокое. Следовательно, в D1 необходимо использовать диод с относительно высоким номинальным выдерживаемым напряжением, что приведет к увеличению потерь в цепи и стоимости материалов.

В тех же условиях напряжение напряжения на вторичном диоде полумостового резонансного преобразователя значительно меньше, чем в полумостовом обратноходовом преобразователе, поскольку напряжение напряжения на вторичном диоде полумостового резонансного преобразователя в два раза превышает выходное напряжение. Следовательно, в полумостовом резонансном преобразователе можно выбрать диод с относительно низким выдерживаемым напряжением, тем самым повысив эффективность схемы и снизив стоимость материала.

2.3 Сравнение включения вторичного диода

Из анализа полумостового обратноходового преобразователя видно, что его вторичный диод включен жестко, а потери относительно велики; в то время как из анализа полумостового резонансного преобразователя видно, что его вторичный диод представляет собой переключатель нулевого тока, а потери относительно невелики, что может повысить эффективность преобразователя. Поэтому теоретически общий КПД полумостового обратноходового преобразователя немного хуже, чем у полумостового резонансного преобразователя (но все же намного лучше, чем у других преобразователей).

2.4 Другие аспекты

Во-первых, в полумостовом обратноходовом преобразователе рабочие циклы верхнего и нижнего переключателей дополняют друг друга, поэтому трансформатор в полумостовом обратноходовом преобразователе имеет явление смещения постоянного тока; в то время как в полумостовом резонансном преобразователе рабочие циклы верхнего и нижнего ключей равны, поэтому трансформатор в полумостовом резонансном преобразователе не имеет явления смещения постоянного тока.

Во-вторых, полумостовой резонансный преобразователь регулирует выходное напряжение путем регулирования рабочей частоты трубки переключателя, поэтому для полумостового резонансного преобразователя сложнее обеспечить управление синхронным выпрямлением; в то время как полумостовой обратноходовой преобразователь регулирует выходное напряжение, регулируя рабочий цикл трубки переключателя, поэтому для полумостового обратноходового преобразователя относительно просто добиться управления синхронным выпрямлением.

2.5 Текущий стресс

Анализируя полумостовой резонансный преобразователь, можно увидеть, что его токовое напряжение относительно велико, а пульсация выходного тока относительно велика; в то время как в полумостовом обратноходовом преобразователе напряжение тока относительно низкое, а пульсации выходного тока относительно малы.

2.6 Диапазон выходного напряжения

Анализируя принцип управления полумостовым обратноходовым преобразователем, можно увидеть, что диапазон выходного напряжения полумостового обратноходового преобразователя шире, в то время как диапазон выходного напряжения полумостового резонансного преобразователя очень узкий. Следовательно, в области источников питания с несколькими выходными напряжениями более подходящим является обратноходовой полумостовой преобразователь, а преобразователь постоянного тока в постоянный можно не использовать.

3 Заключение

Благодаря анализу и исследованию полумостового обратноходового преобразователя и полумостового резонансного преобразователя, а также сравнения методов их управления, напряжения вторичного выпрямителя и вторичного открытия можно узнать, что полумостовой резонансный преобразователь больше подходит для развития потребности в источнике питания для обеспечения высокой эффективности; в то время как полумостовой обратный преобразователь больше подходит для источников питания PD.