Jämförelse mellan halvbrygga resonantomvandlare och halvbrygga återgångsomvandlare

Jämförelse mellan halvbrygga resonantomvandlare och halvbrygga återgångsomvandlare

Med utvecklingen av switchande strömförsörjningar har mjuk omkopplingsteknik utvecklats och tillämpats i stor utsträckning, och många högeffektiva kretstopologier har studerats, huvudsakligen mjuka omkopplingstopologier av PFM-typ och mjuka omkopplingstopologier av PWM-typ.

Under de senaste åren, med den utbredda tillämpningen av tredje generationens halvledarenhet GAN och den kontinuerliga utvecklingen av PD-strömförsörjning, har detta gett ytterligare en möjlighet för utveckling av strömomvandlare. För halvbryggomvandlare, om de är korrekt utformade, kan mjuk omkopplingskonvertering uppnås, så att omkopplingsströmförsörjningen har högre effektivitet och avsevärt minskar storleken på kraftförsörjningen.

1 Arbetsprinciper för två omvandlare

1.1 Halvbrygga flyback-omvandlare

Figur 1 respektive figur 2 visar kretsschemat och arbetsvågformen för halvbrygga tillbakaslagsomvandlaren.

Fig. 1 inkluderar två komplementära MOSFET-enheter med styrd effekt (SI och S2), där arbetscykeln för S1 är D och arbetscykeln för S2 är (1-D); en DC-blockerande kondensator Cr, vars spänning används som strömförsörjning när S2 slås på; en centrumuttagstransformator Tr, vars primära varv är Np och sekundära varv är Ns; en utgångslikriktardiod Dl; en utgångsfilterkondensator Cout; och utgångslikriktarrörets toppabsorptionsmotstånd och kondensatorer R1 och Cl.

Som framgår av det schematiska diagrammet, är den primära delen av halvbrygga tillbakagångsomvandlaren densamma som den traditionella asymmetriska halvbryggomvandlaren (AHB), och den sekundära delen är densamma som återgångsomvandlaren. Driftsprincipen för stabilt tillstånd för halvbrygga tillbakagångsomvandlaren är som följer.

1) När S1 är påslagen och S2 är avstängd utsätts transformatorns primärsida för en framåtspänning och sekundärsidan Ns fungerar inte; dioden D1 är avstängd; transformatorn lagrar energi;

2) När S2 slås på och S1 är avstängd, appliceras spänningen på DC-blockeringskondensatorn Cr på transformatorns primärsida, sekundärsidan Ns2 fungerar och dioden D1 slås på.

I figur 2 är n1=Np/Ns och n1=n. Genom att analysera kretsen kan beräkningsformeln för arbetscykeln D för halvbrygga tillbakagångsomvandlaren erhållas:

Resonantomvandlaren med halvbrygga kallas vanligen LLC-resonantomvandlaren. Figurerna 3 och 4 visar kretsschemat och arbetsvågformen för halvbryggaresonansomvandlaren respektive.

I figur 3 finns två effekt-MOSFET:er (S1 och S2), som båda har en arbetscykel på 0,5; en resonanskondensator Cr, en centrumuttagstransformator Tr med lika varv på sekundärsidan, en läckinduktans Lk hos Tr och en spännande induktans Lm. Lm är också en resonansinduktor under en viss tidsperiod. Därför är resonanselementen i halvbryggaresonansomvandlaren huvudsakligen sammansatta av de tre ovanstående resonanselementen, nämligen resonanskondensatorn Cr, induktorn Lk och den exciterande induktorn Lm; halvbrygga helvågslikriktardioderna D1 och D2 och utgångskondensatorn Cout.

1)〔t1, t2〕När t=t1 stängs S2 av och resonansströmmen laddar ur den parasitära kapacitansen hos S1 tills spänningen på S1 är noll, och sedan slås kroppsdioden på S1 på. I detta steg slås D1 på, och spänningen på Lm kläms fast av utspänningen, så endast Lk och Cr deltar i resonansen.

2)〔t2, t3〕När t=t2 slås S1 på under nollspänningsförhållanden och transformatorns primärsida utsätts för en framåtspänning; D1 fortsätter att vara påslagen och S2 och D2 är avstängda. Vid denna tidpunkt deltar Cr och Lk i resonansen, medan Lm inte deltar i resonansen.

3)〔t3, t4〕När t=t3 är S1 fortfarande på, medan D1 och D2 är i avstängt tillstånd, och den sekundära sidan av Tr är bortkopplad från kretsen. Vid denna tidpunkt deltar Lm, Lk och Cr i resonansen tillsammans. I den faktiska kretsen är Lm mycket större än Lk, så det kan anses att excitationsströmmen och resonansströmmen förblir oförändrade i detta skede.

4)〔t4, t5〕När t=t4 stängs S1 av och resonansströmmen laddar ur den parasitära kapacitansen hos S2 tills spänningen på S2 är noll, och sedan slås kroppsdioden på S2 på. I detta steg slås D2 på och spänningen på Lm kläms av utspänningen. Därför deltar endast Lk och Cr i resonansen.

5)〔t5, t6〕När t=t5 slås S2 på under nollspänningsförhållanden, och primärsidan av Tr utsätts för omvänd spänning; D2 fortsätter att vara på, medan S1 och D1 är avstängda. Vid denna tidpunkt deltar endast Cr och Lk i resonansen, och spänningen på Lm är fastspänd av utspänningen och deltar inte i resonansen.

6)〔t6, t7〕När t=t6 är S2 fortfarande på, medan D1 och D2 är i avstängt tillstånd, och den sekundära sidan av Tr är frånkopplad från kretsen. Vid denna tidpunkt deltar Lm, Lk och Cr i resonansen tillsammans. I den faktiska kretsen är Lm mycket större än Lk. Därför kan det anses att excitationsströmmen och resonansströmmen förblir oförändrade i detta skede.

Genom ovanstående detaljerade analys har vi en viss förståelse för arbetsprinciperna och egenskaperna hos dessa två typer av mjukkopplande omvandlare. Följande kommer att jämföra skillnaderna mellan dem för att ytterligare fördjupa vår förståelse av dem.

2 Jämförelse av skillnaderna mellan de två omvandlarna

Även om halvbrygga återgångsomvandlare och halvbrygga resonantomvandlare båda är mjukkopplande omvandlare, finns det väsentliga skillnader mellan de två. Halvbrygga tillbakagångsomvandlaren är av PWM-typ, medan halvbrygga resonansomvandlaren är PFM. Därför har de stora skillnader i styrmetoder, spänningsspänning för det sekundära likriktarröret och strömspänning på primärsidan. Dessa skillnader kommer att analyseras i detalj nedan.

2.1 Jämförelse av kontrollmetoder

Halvbrygga tillbakagångsomvandlaren justerar utspänningen genom att justera brytarrörets arbetscykel. När variationsintervallet för inspänningen är relativt stort, är kopplingsrörets arbetscykelvariationsintervall också relativt stort. I teorin kan arbetscykeln för halvbrygga tillbakaslagsomvandlaren överstiga 0,5 och därigenom anpassa sig till ett bredare inspänningsområde. Därför är strömavstängningsunderhållstidsegenskaperna för halvbrygga återgångsomvandlaren relativt goda och kan användas i stor utsträckning vid tillfällen med relativt höga krav på underhållstid för strömavstängning.

Jämfört med halvbrygga återgångsomvandlaren justerar halvbrygga resonantomvandlaren utspänningen genom att justera omkopplingsfrekvensen, det vill säga dess arbetscykel förblir oförändrad under olika inspänningar. Teoretiskt kommer arbetscykeln för halvbryggresonantomvandlaren inte att överstiga 0,5. Jämfört med halvbrygga återgångsomvandlaren är därför dess inspänningsområde relativt snävt och underhållstidsegenskaperna för avstängning är relativt dåliga.

2.2 Jämförelse av sekundär likriktarspänningsspänning

Genom att analysera arbetsprincipen för halvbrygga återgångsomvandlaren kan beräkningsmetoden för spänningsspänningen på den sekundära dioden erhållas som visas i följande formel:

På detta sätt, när ingångsspänningen ändras, kan förändringen av den sekundära diodspänningen förstås.

Figur 5 visar förändringen av spänningen på den sekundära likriktaren när utspänningen är 48V. När inspänningen är relativt hög är spänningen på D1 relativt hög. Därför måste D1 använda en diod med relativt hög beständighetsspänning, vilket kommer att öka kretsförlusten och materialkostnaden.

Under samma förhållanden är spänningsspänningen på sekundärdioden i halvbrygga resonantomvandlaren mycket mindre än den i halvbrygga tillbakaslagsomvandlaren, eftersom spänningsspänningen på sekundärdioden i halvbryggresonantomvandlaren är två gånger utspänningen. Därför kan en diod med en relativt låg motståndsspänning väljas i halvbryggaresonansomvandlaren, vilket förbättrar kretsens effektivitet och minskar materialkostnaden.

2.3 Jämförelse av den sekundära diodens tändning

Från analysen av halvbrygga tillbakagångsomvandlaren kan det ses att dess sekundära diod är hårt påsatt och förlusten är relativt stor; medan det från analysen av halvbrygga-resonantomvandlaren kan ses att dess sekundära diod är en nollströmbrytare och förlusten är relativt liten, vilket kan förbättra omvandlarens effektivitet. Därför, i teorin, är den totala verkningsgraden för halvbrygga tillbakagångsomvandlaren något sämre än den för halvbrygga resonantomvandlaren (men fortfarande mycket bättre än andra omvandlare).

2.4 Övriga aspekter

För det första, i halvbro-tilbaka-omvandlaren, är arbetscyklerna för de övre och nedre omkopplarna komplementära, så transformatorn i halvbro-tilbaka-omvandlaren har ett DC-förspänningsfenomen; medan i resonantomvandlaren för halvbrygga är arbetscyklerna för de övre och nedre omkopplarna lika, så transformatorn i resonantomvandlaren för halvbrygga har inte något DC-förspänningsfenomen.

För det andra justerar halvbryggsresonantomvandlaren utspänningen genom att justera kopplingsrörets driftsfrekvens, så för halvbryggaresonantomvandlaren är det mer komplicerat att uppnå synkron likriktarkontroll; medan halvbrygga tillbakagångsomvandlaren justerar utgångsspänningen genom att justera brytarrörets arbetscykel, så för halvbrygga tillbakagångsomvandlaren är det relativt enkelt att uppnå synkron likriktarkontroll.

2.5 Aktuell stress

Genom analysen av halvbryggaresonansomvandlaren kan man se att dess strömspänning är relativt hög och utströmsrippeln är relativt stor; medan strömspänningen är relativt låg i halvbrygga tillbakagångsomvandlaren och utströmsrippeln är relativt liten.

2.6 Utspänningsområde

Genom analysen av styrprincipen för halvbrygga återgångsomvandlaren kan man se att utspänningsområdet för halvbrygga återgångsomvandlaren är bredare, medan utspänningsområdet för halvbrygga resonantomvandlaren är mycket smalt. Därför, inom området för PD-strömförsörjning med flera utspänningar, är halvbrygga tillbakagångsomvandlaren mer lämplig, och en DC/DC-omvandlare kan utelämnas.

3 Slutsats

Genom analysen och forskningen av halvbrygga återgångsomvandlaren och halvbrygga resonantomvandlaren, och jämförelsen av deras kontrollmetoder, sekundär likriktarspänningsspänning och sekundär öppning, kan det vara känt att halvbrygga resonantomvandlaren är mer lämpad för utvecklingsbehovet av strömförsörjning för hög effektivitet; medan halvbrygga flyback-omvandlaren är mer lämplig för PD-strömförsörjningsfältet.