并联半桥谐振变换器分析与研究

盛程潜

（黑龙江工程学院 电气与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨150050）

传统的开关电源，大多采用PWM 变换器[1－3]，在处理电压波动、负载变动、短路、空载输出及元件参数变化等方面，比较灵活可靠[4]。但是，随着开关频率的提高，开关管的关断损耗和导通损耗都会增加。特别是在开关管关断时，其下降的电流和上升到集电极电压，出现重叠现象，会产生一个很大的关断损耗。随着开关频率的升高，开关的关断损耗会非常严重[5]。目前，解决此损耗的常用方法是在开关管集电极、发射极之间，使用缓冲器来降低开关管的开关损耗[6]，而这种方法，只是将开关管的损耗移交给缓冲器的电阻，反而使开关电源的效率受到影响[7－8]。

在开关电源小型化的发展趋势下，如何减小体积、提高效率、消减功耗是本文研究的主要问题。具体解决方案如下：

1）在高频率下减小开关变压器的体积，使用谐振变换器实现。谐振器由LC谐振电路与开关管构成，使流过开关管的电流为正弦波而不是方波。然后使开关管在正弦电流过零处导通和关断。这样，关断时刻的下降电流和上升电压之间及导通时刻的电流和下降之间就不会产生重叠现象，因此，不产生开关损耗。

2）采用零电压开关电路的分析方法。该电路使开关管输出电容成为电路中的LC谐振回路的电容，来实现零电压开关。开关管关断情况下存储在电容上的电压能量转变为存储在谐振电感上的电流或能量。并在同一周期的下一阶段，将这部分能量毫无损失地反馈回到电源母线上。由于开关损耗PC＝VCIC，开关设在零电压，即VC＝0时，开关损耗为0，该电路不产生开关损耗，因此，消除了PWM方式的开关损耗。

1 并联谐振变换器工作原理分析

并联谐振变换器的工作原理：当折算后的输出负载（折算到变压器初级）和谐振电容并联，输出功率可以从LC谐振回路中获得。

1.1 电路元件功能及关系分析

并联负载谐振半桥变换器如图1所示，C1和C2是输入稳波电容。在交流输入为220V时，这2个电容用于产生320V整流电压的输出。

图1 并联谐振半桥变换电路

电感Lr与电容Cr组成谐振电路，输出负载是经变压器T1折算到初级，并且与谐振电容Cr相并联。输出滤波器由L0、C0组成。为了避免降低谐振电路的Q值，L0选用高阻抗电感，再加上滤波器电容C0，即可不影响谐振回路的Q值。

电容Cr并联在变压器的初级，同外接电感Lr谐振，谐振频率输出电感L0非常大，在谐振频率Fr处阻抗很高，不会降低Cr的负荷能力，也不会减小谐振回路LC电路Q值。L0很大，从而使得电路可以工作在连续模式下。Cr处阻抗（不含Cr）为输出电阻乘匝比的平方。变压器T1的励磁电感比这个阻抗大很多，因此，它不会影响正常工作。

1.2 半桥谐振电路零电压开关和无损缓冲的实现分析

电路的基本工作原理是：利用MOSFET管的输出电容，作为谐振LC电路的电容之一，此电容在每个周期的一段时间内储存电压（能量），在接下来的一段时间内，通过谐振电感将其储存的能量，没有任何损耗地返还给电源母线。

如图1所示，当Q1导通，Q2关断时，Cr2两端电压被充电至VS。Q1先关断，变压器T1的励磁电流继续通过Cr1续流，使VCr1上升，VCr2下降。当VCr2下降至0.5 VS时，变压器极性改变，次级两整流管同时导通，使变压器次级和初级都短路，因此，变压器初级电压为0，在变压器次级，输出电感会尽量维持输出电流不变。

此时，Cr2上存储的能量经变压器初级短路绕组、谐振电感Lr和滤波电容C2，到Cr2负极放电。因为回路中没有电阻，故放电过程不会产生损耗，Lr与Cr2及Cr谐振，Cr2电压下降至0，此时Q2即可实现零电压导通。

电容Cr1有效地延缓了Q1电压的上升速度，所以Q1关断时不会同时产生大的电压和电流。

其零电压开关电路的工作波形见图2。

图2 零电压开关波形

2 变频式斜坡增益调压方案

开关工作在方波状态，方波的基波是连续正弦波，其频率与开关管的方波频率相同。LC谐振回路的Q特性曲线（阻抗－频率）如图3所示。在Q特性曲线上的欠谐振侧或过谐振侧可以确定平均开关频率。在连续模式下的直流输出电压，与谐振电容的交流电压峰值成正比，或者与LC串联谐振回路的交流电源峰值成正比。当开关电源频率变化时，电容器的容抗，将随频率变化而改变，那么电容器两端的输出电压也将随容抗而改变，因此，电路的增益也改变，图3所示为斜坡形式表现，即斜坡增益。

图3 通过改变谐振元件的Q特性曲线的频率调整输出电压

沿Q特性曲线移动改变开关频率可以改变谐振电容的电压幅值（若输出为谐振电容电压），或谐振回路的电流幅值（若输出为谐振电路电流），从而实现输出电压的调整。

电路工作频率高于Q特性曲线谐振峰值处的频率，称为过谐振模式。电路工作频率低于Q特性曲线谐振峰值处的频率，称为欠谐振模式。从图3可以看出，Q特性曲线非常高，频率稍有变化，输出会发生很大变化，在设计反馈系统时，应按下述方式设计，通过改变控制环谐振器的频率来降低开关频率，使其工作点在Q特性曲线上向上移动，其对输出电压进行校正，对于工作于ARM模式的电路，当输出电压降低后，达到稳压目的。

应该注意，平均开关频率高于谐振峰值处的频率时，提高输出电压或输出电流必须降低开关频率；平均开关频率低于谐振峰值处的频率时，提高输出电压或输出电流必须提高开关频率。

3 并联半桥谐振变换器的交流等效电路和增益分析

并联负载谐振半桥变换器的交流等效电路如图4所示。电路的输入是由开关管产生的幅值为±Vdc／2的方波。Rac为通过T1次级折算回初级的电阻，与电容Cp并联，VO是电路的输出电压。按照研究分析，只考虑此方波的基波频率，计算出的输出电压和输入电压之间的比率（增益）是频率的函数。

图4 交流等效电路模型

并联负载电路的比值为

式中：RL是次级负载折算到初级后的值，并联负载Rae＝π2RL／8。对于并联负载电路：电路的品质因数Q＝RL／ω0L，电路的频率

4 实验方案与测试结果

根据图1并联谐振半桥变换器的拓扑电路进行实验测试，绘出了并联负载谐振半桥变换器的增益曲线，如图5所示。可以看出，当输入电压为220V，LrCr谐振频率为100kHz时，此电路可工作于重载或空载情况下。若初始工作点为点A（此处Q＝2，归一化频率为1.1），增加RL，使Q＝RL／w0L＝5，则工作点将上移至归一化频率为1.23的点B。从Q曲线的现状可以看出，非常大的Q值或开路运行都能够实现。

图5 交流等效电路的并联谐振变换器的增益曲线

当负载RL不变，工作点为A时，减小电源输入电压，则工作点下移至归一化频率为1.05的点C处，从Q曲线的现状可以看出，输出电压得到提升，从而实现输入电压变化，输出仍能实现稳压运行。

5 结束语

本文通过对并联半桥谐振变换器的研究，针对传统开关电源变换器的原理及缺陷，提出了零电压开关电路的解决方法。该方法采用MOSFET管的输出电容作为LC谐振回路一部分，并使开关管工作于零电压开关状态，避免了开关在关断时，下降的电流和上升的集电极电压出现重叠现象，消除了PWM方式的开关损耗。同时，无损耗缓冲电路选用，使能量存入谐振元件中，并将其能耗毫无损失地反馈回到电源母线上。由于晶体管损耗功率的降低，使得散热片体积大大减小。上述方法的提出，对提高开关电源的效率，减小开关电源的体积，具有一定研究和推广价值。

[1]普莱斯曼.开关电源设计[M].王志强，译.北京：电子工业出版社，2005：33－35.

[2]Ron Lenk.实用开关电源设计[M].王正仕，张军明，译.北京：人民邮电出版社，2006：12－13.

[3]杨旭.开关电源技术[M].北京：机械工业出版社，2004：46－48.

[4]Sanjaya Maniktala.精通开关电源设计[M].王志强，译.北京：人民邮电出版社，2008：10－12.

[5]（日）原田耕介.开关电源手册[M].耿文学，译.北京：机械工业出版社，2004：21－23.

[6]（日）长谷川彰.开关稳压电源的设计与应用[M].何希才，译.北京：科学出版社，2006：17－18.

[7]刘胜利.高频开关电源实用新技术[M].北京：机械工业出版社，2005：44－45.

[8]张占松，蔡宣云.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2002：50－51.