不对称半桥反激变换器---专利分析1

这里分析一个关于不对称半桥反激变换器的专利，这个专利主要是关于解决一个谐振电流尖峰的问题。

一.传统反激变换器的拓扑问题说明

图1 传统反激变换器说明—缺点

传统反激变换器虽然器件少，控制简单，但是原边控制开关为硬开关，漏感能量也无法回收，导致损耗较大，限制了功率密度提升。

图2 不对称半桥反激的优势

不对称半桥反激的拓扑结构就可以解决传统反激的缺点，如它可以实现较低的电压应力，同时可以利用漏感的能量来实现开关的零电压开通，实现漏感能量的回收和高效率。

二.不对称半桥反激变换器的典型问题

图3 不对称半桥反激的典型问题—尖峰电流

当不对称半桥处在稳态时，谐振电容的电压，很容易由拓扑结构，如图3可知，为N*Vo，N为原副边绕组比。但是在瞬态时Cr上的电压变化较大，典型的瞬态如输出短路等。当瞬态时Cr上的电压变化较大，因此在第一开关Q1开通时产生大的尖峰电流，这是这个专利产生的背景。

图4 专利基本说明

图示不对称半桥反激变换器主要由，谐振电感Lm，谐振电容Cr，变压器TR,开关半桥等组成。通过采样单元对谐振回路电流进行采样，输入给控制电路。

当谐振回路电流超过预定值时，控制电路提前关断第二开关管，也就是电路中的Q2.这个专利主要用以检测Q2导通期间出现大电流的时刻，进而提前关断第二开关管Q2,有效抑制输出负载突变导致的大电流尖峰这个问题。

三．不对称半桥反激变换器的基本说明

图5 两种不同的不对称半桥反激拓扑说明

图6 主开关在Q1接地的拓扑

图7 主开关Q1不接地的拓扑

图8 不对称半桥反激工作原理—半桥开关结电容

图9 谐振电路说明—谐振电感和谐振电容

由图5-9说明可知，谐振电路由谐振电感Lm和谐振电容Cr，变压器原边Np组成，谐振电路和第二开关Q2构成谐振回路，不管主开关是接地还是不接地的情况都是这样。

图10 控制电路原理说明

图11 控制电路原理说明

根据采样电路的谐振回路采样信号，基于采样信号决定开关Q1的关断时刻，同时，基于谐振回路电流参数决定Q2提前关断的时刻，Q1和Q2是分时导通，由于Q2是提前关断，因此不能完全算作互补模式工作。当谐振电流超过预定值后，基于采样值可以提前关断Q2，避免尖峰电流发生。

四．各种谐振电流值的采样说明

图12 各种对谐振电流采样的方法

在专利说明中，提出了对谐振电流的各种采样方法，如图12所示，直接采样谐振电容Cr的电流，或者采样谐振电容Cr的电压变化率，或者采样谐振电感的电流，或者采样谐振电感的电压变化率等，各种采样方式，都可以得到谐振电流的信息，从而可以判断谐振回路出现大电流尖峰的时刻，从而提前关断第二开关管Q2.

图13 第一开关管的关断时刻说明1

图14 第一开关管关断时刻说明2

通过图13，图14的说明可知，对于采样信号可以作为常规的峰值电流模式控制所需要的电流信号，从而决定主开关Q1的关断时刻。同时在Q2导通期间，谐振电流为负值，所以判定阈值关断Q2时是小于此阈值。

图15 通过采样电阻采样谐振电流

图16 通过采样电阻采样谐振电流的说明

图17 电阻采样谐振电流的说明

在图15，16，17中，首要的一种采样谐振电流的一种方法，就是通过和谐振电容串联的电阻去采样，这种方式最直接，但是电流大时，会产生一定的损耗。

图18 采样谐振电容电流的分流信号

图19 采样谐振电流分流信号的原理图

图20 谐振电容电流分流采样—比例采样

图21 谐振电流分流信号采样说明—损耗小

从图19中看，新增加的C和R支路，和谐振电容支路是并联的，所以流过采样支路的电流信号在电阻上产生的压降和谐振电流成正比例（其它参数已知），通过这种方式，可以以较小的损耗去采样谐振电流信号。

图22 谐振电容电压变化量采样—滤波采样

图23 谐振电容电压变化量采样

图24 谐振电容电压差采样方式

图25 谐振电容电压变化量采样说明—电压变化差值

在图23中，通过采样Rf上两端的电压，就可以得到谐振电容的瞬时值和平均值之间的差值，因此可以判断谐振电容电压偏离稳态值多少，从而得知谐振电容放电较多，从而导致了大电流。

图26 基于电容电压的变化率采样

图27 基于电容电压变化率采样—一定时间长度的电压变化

图28 基于电容电压变化率采样—不同时刻采样计算2

基于图26，27，28对谐振电容的电压变化率进行采样，也就是说，在其中一个时刻t1采样谐振电压Cr，在另一个时刻t2采样谐振电压Cr，则通过运算即可得到Cr的电压变换率，从而判定谐振电容放电足够，而导致谐振电流过大，则提前实施关断Q2开关。

其它的方面，如专利中提到的电感电流采样方式等，这里由于篇幅所限不做太多分析和探讨。

总结：分析不对称半桥反激变换器改善瞬态开通尖峰电流的方法，作为典型专利的分析参考。