基于zvs半桥变换器磁集成探究

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1、基于ZVS半桥变换器磁集成探究　　摘要：利用平面磁集成技术把分立的谐振电感和变压器布置在同一平面磁芯上来减小开关电源中磁件的数量和体积。本文主要讨论集成的ZVS半桥变换器的工作原理，设计并研究谐振电感和变压器的集成方案。通过仿真和仿真结果来证明本方案的可行性和正确性。关键词：平面磁集成；开关电源；半桥变换器1.引言5电力电子技术的应用在不断的成熟发展，低损耗、高可靠性、高频化已经成为开关电源变换器的发展方向。生产短、小、轻、薄的开关电源是每个开关电源制造商的目标。要实现以上的目标的重要因素要有高频化的开关频率。开关电源如果具备高频化可以带来许多优势

2、。例如：可以使低次谐波输出减少；噪声降低；输出波形逼近正弦波等。然而开关频率不能太高，制约它的因素有以下几方面：（1）频率越大开关损耗就越大；（2）由于开关在通断的时候会引起电流尖峰和电压尖峰，容易导致开关电压和电流产生突变，确保不了开关电源的运行的稳定性能，同时还会减少其工作年限；（3）二极管由开到断的过程中，有一段时间叫做反向恢复时间，此期间二极管继续在导通状态，如此期间开关管导通，会造成直流电源的瞬间短路，生成巨大的冲击电流，这样会导致二极管以及开关管的能耗短时间内迅速升高，甚至会破坏元件[1]。2.集成变换器的工作性能分析软开关技术没有在A

3、C-DC变换器中得到广泛的使用，硬状态时很多开关管的绝大多数的工作状态，这样是会降低它的工作年限，还会减少变换器的工作效率。这里重新设计了以往的板桥变化器，把两个谐振电容和开关管进行并联，将谐振电感加入变压器原边处[2][3]。此时电感和变压器设计同一电路中，平面磁集成技术将二者融合在一起，如图1所示为其简化的等效电路图。将变换器重新设计改造后，不计较输入端和输出端的一系列因素，例如，过压保护，过流保护等。图1的S1与S2都是理想开关管，S1、S2交替导通，占空比低于50%。分压电容等于C1、C2，谐振的电容值是两个值相等的C3、C4，谐振的电感值

4、是Lr。（1）工作模态A[t0-t1]5当处于t0时之前，开关管S2已经处于断开。当经过死区时间后，从t0开始开关管S1就导通了，因为S1与C3并联，C3上的电压在死区时等于0，因此这就是S1的0电压导通，这里会在D工作阶段的时候进行详细表述。如果S1被打开，会发现电压是0的C3。vin为C4的输入电压。恰好这时在变压器的两端会出现变化，发生正向变大的情况，此时的副边会出现二极管D2开通的情况。在此过程中会发现原边电流其实是谐振电流衍生而来，将能量源源不断传递给副边，接受电源的能量传递。如果此时的模态是发生t1，此刻正是S1在断开的时候，串联谐振的

5、产生正好发生在谐振电容、电感两者之间，C4会源源不断对外界的放电，相反C3会接受它产生的电。此时C4生成的uc4也会慢慢的减小，直到减小为0。在电容C3两端产生的电压uc3，相反上升最后为vin。原因是S1处于导通过程中，C3的电压一直为0，因此，无论什么时候将S1断开，全是零电关断。这时D2随S1断开而关断。死区时间就是当S2处于导通前的时间，D1、D2全处于不通状态，C0所生成的能量全部都给了负载，C3、C4、vin以及Lr正好形成了一条密封的回路。3.集成磁件设计如图3所示，平面EE型磁芯的三个磁柱全存在气隙，左、右柱上分别缠绕着谐振电感，磁

6、芯的中柱上围绕着变压器的原边和副边线圈。三个磁柱留出间隙均匀的气隙。原边的绕组是a-b，副边的绕组是d-e-f，谐振电感的绕组是b-c。这里面谐振电感绕组由两部分构成，一个边柱上绕一个，还有这两个绕组的匝数是一样的。此时左边柱的磁通为φ3；右磁柱的磁通为φ4；而原边绕组和副边绕组产生的向下的磁通分别为φ1、φ2。图3EE磁芯型集成结构5谐振电感的两绕组间的中柱的磁通的方向的处于相反的，而大小是一样的。因此，变压器和谐振电感构成了解耦集成，也就是谐振电感与变压器不发生冲突。这时的磁通φ1、φ2和图中所示的左侧的φ3的磁通方向是相同的，却与右侧的φ4的

7、磁通方向不一样。由此可以推出左边生成的磁通一定大于右边。综上所述，无论是变压器的原边绕组还是其副边绕组，它们都没有耦合于谐振电感绕组[4]。变压器原边绕组、副边绕组和谐振电感绕组都使用平面铜箔磁件样机。4.仿真与实验验证4.1磁场仿真采取Maxwell仿真软件对磁芯型集成结构仿真。很明显看以看出，磁芯左、中柱与右侧柱的比较可知，前两项都大于右侧柱，此结果和预期所分析的结果吻合。4.2电路仿真这里使用的仿真软件是saber，以此来进行ZVS半桥变换器电路的仿真。这里将软件的仿真参数做适当的规定，vin=310V；输出电压v0=48V；开关频率f=10

8、0kHz；谐振电容C3=C4=500pF；谐振电感Lr=56uH；死区时间Td=0.5us。如图4所示为谐振电感的电流波形