零电压开关准谐振半桥变换器的系统建模和研究

1、零电压开关准谐振半桥变换器的系统建模和研究穆新华吴波摘要 分析了零电压开关准谐振半桥dc/dc变换器的工作原理和主电路谐振元件参数 的计算方法，推出了以mc34067芯片为控制核心的系统闭环模型，通过原理样机的实验验 证，表明计算方法和系统模型是合理正确的，为相关变换器的研究打下了良好的基础。关键词：零电压开关谐振变换器模型闭环research and modeling of zero-voltage-switchingquasi-resonant half bridge convertermu xinhuan wu bo (nanjing univcrsity of acronautics

2、& astronautics 210016 china)abstract the operating principle of zero-voltage-switching (zvs) quasi-resonant halfbridge converter and calculating method of resonant element parameter are analysed. the closed loop model of converter based on control chip mc34067 is presented. furthermore, the expc

3、rimcnta丄 rcsuits of a prototype converter are given to verify the correct of the method and model, which provide good base for the research of relevant converters.keywords:zero-voltage-swi tch i ng resonant converter model closedt oop1引言随着电力电子技术的不断发展，功率变换器的高频化是人们研究的主要课题之一。然 而，在常规的pwm功率变换器中，其功率器件工作在硬

4、开关方式，在器件的开通及关断过 程屮，功率器件两端的电压与通过器件的电流存在交越现象，其开关损耗随着开关频率的 升高而显著增加，同时，开关器件的输出电容和电感元件使得开关器件工作在容性开通和 dv di感性关断状态下，其过高的不和不将产生强的电磁干扰，开关过程容易造成功率器件的工 作失效。因此，近年来其软开关pwm变换技术引起了人们的极大兴趣，这种变换技术综合 了 pwm和谐振技术的优点，其屮谐振技术用以软化开关过程，开关过程一旦完成后便回到 常规的pwm工作方式。本文针对半桥型dc/dc功率变换器的拓扑结构，分析了主电路谐振 元件参数的设计过程，并推出了以mc34067控制芯片为控制单元的零

5、电压开关准谐振变换 器的系统闭环模型，通过原理样机的制作和实验，验证了设计过程和系统模型的正确性， 为相关变换器的研究开发打下了基础。2工作原理分析零电压开关准谐振半桥变换器的主电路拓扑结构如图1所示，谐振电容©和。2为mosfet 管的输出电容（gt二s）, vdi和vd2为mosfet管的体二极管,l为总的谐振电感，它包含 了高频变压器的漏感和外加电感，变压器变比用n表示。图1半桥变换器主电路拓扑fig.1 main circuit topology of half bridge converter根据零电压开关准谐振半桥变换器的工作特点，在一个变换周期里可分为四个工作阶 段，其

6、相应的工作波形如图2所示。图2 个变换周期四个工作阶段的工作波形fig. 2 voltage waveform under the four stages of a period2. 1电容充电阶段t。,在t二to时刻vti被关断，g上电压线性上升，g上电压线性下降，即有（上一血）2nj(/当（t）二vc2（t）二孔/2时，此工作阶段结束，其持续时间为2.2谐振工作阶段s t2tlt2时刻以后，g上电压继续上升，c2电压继续下降，则变压器一次绕组电压极性变 负，一次电流开始下降，为维持输出电流io> vdrl和口2同吋导通，变压器二次侧呈现短路 状态，g、c2和电感l 一起形成串联谐振电

7、路，即有g 0)=” +竽sin仙(“f)vczsmg (/-ip （z）= cog1= 式中v 2£c艸当vc2（t）=0时，此工作阶段结束，其持续时间为arcsin2.3电感放电阶段 乙,t3在vc2（t）变为0后，vt2的反并联二极管开始导通，恒定的电压2,加在l上，变压器一次电流线性下降，即有当几0）一番吋，此工作阶段结束，其持续吋间为2.4恒流阶段t3, tj在tp,整流管vd“关断，一次电流i°/n流过t, c2上电压为0, g上电压为v,当 关断时此过程结束。若将这四阶段视为一个变换周期用t树表示，那么半桥变换器的一 个开关周期t,屮将包含两个这样的变换周期。

8、恒流阶段的持续时间为（上0十“i十切）t,(10)3主电路谐振元件参数设计x-f= y ±_!1r= v2 分别定义变换器的直流电压变换比 a匕与归一化负载电阻，则通过一个换周期中输入能量和输出能量相等可获得好恰+曲讪询+(11)式屮f心一变换频率f。一谐振频率由公式（4）、（5）可知，获得zvs的条件是仃2)考虑到输入屯压和输出负载屯流的变化，一般取2vq式中onuxr, = n2- = n2vn厅即有l=1 (vr)22 (in/n)2(14)2n v(15)将式(13)代入方程(11)得rmxnon4咲(1 一陆q5+3)(16)另一方而，最小变换频率发生在最低输入电压、最大输

9、出电流下，即将其代入式(11)得rmn ecm(17)4系统建模及闭环设计零电压开关准谐振半桥变换器闭环控制原理如图3所示，输出电压通过采样环节(分压 器)被反馈到误羌放大器输入端，用误差放大器输岀电压来控制开关频率以维持输岀电压恒 定。其中g)(s)为驱动级传递函数，g(s)为功率级传递函数，gea(s)为误差放大器传递函数, h(s)采样传递函数。图3零电压开关准谐振半桥变换器闭环控制方框图fig-3 closed-loop system block diagram of thezvs half bridge converter4.1驱动级传递函数gd(s)驱动级包括一个电压控制振荡器，一

10、个设置恒定关断吋间的电路和输岀级，其中电压与振荡频率的关系要通过对控制芯片建模获得，本变换器采用mc34067控制芯片，mc34067 是高性能零电压开关谐振型变换器控制芯片，它采用恒定关断时间而改变频率来进行控制。 通过对mc34067的内部电路分析，可得到电压控制振荡器的等效电路如图4所示，其中也 为误差放大器输出电压，振荡周期如图5所示。图4电压控制振荡器等效电路fig.4 equivalent circuit of the voltage-controlled oscillator图5振荡周期示意图fig.5 sketch map of the oscillating period对图

11、4所示的网络列出节点方程duc t 2. 5-vc(18)uc(0)=5. iv uc(t)=3. 6v将实际电路中采用的参数(rose二12.7kq, sc二470pf,iu二1.79kq)代入方程(18),求解 得控制电压-振荡频率曲线如图6所示，基本上为一直线，其斜率约为-783khz/vo mc34067 的驱动输出级有20ns的延迟，在控制的频率范圉内，此延迟可以忽略，因而驱动级的传递 函数可用一恒定增益来近似。即有图6控制电压-振荡频率曲线fig. 6 oscillating frequency versus control voltage4.2功率级传递函数gp(s)由于半桥变换

12、器拓扑是从buck变换器屮派生出來的，因此，半桥电路最终可以用一等 效的buck电路来代替，其等效buck电路的开关频率为半桥变换器开关频率的两倍，其输 入电压和当于加在半桥变换器变压器一次绕组上的电压。根据buck小信号模型2宀，可推 得零电压准谐振半桥变换器的小信号下输出电压-频率传递函数为nrj&(20)n匕竽+n如卄(丄+nr式中1/zngo _或仁.a/ (的,刃) 2吠» go» goe/29/ (%, n) 11 i* /茲工寿疋门一 v1湖fs=f<on/24.3采样环节传递函数h(s)采样环节-般应用分压器，如果分压比为h,则传递函数可表示成

13、(21)h(s)=h4.4误差放大器传递函数gba(s)变换器闭环设计的主要目标是使系统在元件参数宽范围变动情况下能稳定工作并具有(22)系统的开环传递函数为环路增益为go (s) =gd (s) gp (s)(23)优良的动态性能，误差放大器的功能是为稳定的闭环工作提供环路增益和频率响应。本变 换器采用图7所示的补偿电路，其传递函数为1 (sr2c +1)(57?c3 +1)rcs(5/f2c2 + l)(5/?3c3+1)(24)t(s)=gd(s)gp(s)h(s)gea(s)图7误差放大器补偿电路fig.7 compensation circuit of error amplifier

14、通过作开环传递函数的bode图，并根据幅频和相频特性及其稳定性要求，可对其参数进行 设计。5原理样机及实验波形根据前面所述的电路参数设计及系统建模方法，设计并制做了一台原理样机，技术指 标为：输入电压dc240300v；输出电压dc15v；输出功率75w（i。二5a）；维持零电压开关的 最小和最大开关频率f罰二400khz,化唤二727khz。图8所示为i0=5a的m0sfet管电压v°s和栅极驱动电压波形，从实验波形屮看出完 全实现了零电压开关；图9为变压器一次绕组电流波形。时问i图 8 v =300v, 1o=5a 时 mosfet 管 和波形fig. 8 the vds and

15、 vgs waveforms ofmosfet, when v=300v, i0=5a图9i0=5a时变压器一次绕组电流波形fig. 9 the primary side current waveform oftransformer, when vs=300v, i0=5a6结束语通过实验验证了本文给出的零电压开关准谐振半桥变换器参数设计方法和系统闭环模 型是正确的。另一方面，由于谐振型零电压开关变换器具有开关频率高，体积小，效率高 等特点，因此，非常适用于270v飞机高压直流电源系统中的二次变换器。注释：国家自然科学基金、航空基础科学基金资助项目。作者简介：穆新华1961年生，硕士研究生毕业

16、，副教授，目前，主要从事电力电子变换 及电机控制方面的教学和研究工作，发表论文30余篇。吴波1972年牛，硕士研究牛。mu xinhua was born in 1961, received the m. s from the nanjing university of aeronautics & astronautics .now he is an associate professor. his niqin research fields are the power electronic converting and control technology of electrical machine作者单位：南京航空航天大学210016参考文献1 liu k 11, lee f c zero-voltagc-switch