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DCDC变换器拓扑结构分析⼀、正激变换电路由于正激DC/DC变换器具有电路拓扑简单，输⼈输出电⽓隔离，电压升、降范围宽，易于多路输出等优点，因此被⼴泛应⽤于中⼩功率电源变换场合。
然⽽，正激变换器的⼀个固有缺点是需要附加电路实现变压器磁复位。
采⽤磁复位绕组正激变换器川的优点是技术成熟可靠，磁化能量⽆损地回馈到直流电⽹中去。
但附加的磁复位绕组使变压器结构复杂化，变压器漏感引起的关断电压尖峰需要RC缓冲电路来抑制，占空⽐d<0.5，功率开关承受的电压应⼒与输⼈电源电压成正⽐。
RCD钳拉正激变换器图的优点是磁复位电路简单，占空⽐d可以⼤于0.5，功率开关承受电压应⼒较低此电路只是在原有的双管正激电路上添加了2个Lr、Cr谐振⽹络实现软开关。
图4中,L2为缓冲电感,Lm为变压器的励磁电感,C1和C2分别是开关管VS1和VS2的寄⽣电容。
电路拓扑在1个开关周期中可分为7个时间段描述。
下⾯将对每个时间段分别描述。
先假定在t0时刻之前,VS1和VS2关断,谐振电感Lr上的电流iLr为0,电容Cr上的电压UCr为-Uin,VD5关断,VD6正在续流。
为了使分析过程简化,在对电路分析之前,作如下⼏点假设:滤波电感L1⾜够⼤,在1个开关周期中可近似⽤恒流源I0等效代替;变压器漏感远⼩于励磁电感,在电路分析中忽略漏感的影响。
⼀个开关周期中电路的主要电量波形：1 t0~t1时间段在t0时刻,主功率开关管VS1和VS2同时导通,由于电感L2的作⽤,电流上升缓慢,VS1和VS2可以看成ZCS(零电流)导通。
在这⼀阶段,Lr、Cr开始谐振,VD5和VD6开始电流交换。
Cr上的电压从-Uin向Uin变化,电感Lr上的电流也从零上升。
当续流⼆极管VD6上的电流为零并且阻断时,这⼀时间段结束(这个时间段很短)。
此时,原边电流上升到I0/N(N=N1/N2,N1为原边匝数,N2为副边匝数)。
2 t1~t2时间段在t1~t2时间段,Lr和Cr继续谐振。
PWM型DCDC开关变换器研究综述PWM型DC-DC开关变换器通过开关元件的不断开启和关闭实现电能的转换，使得输入电压或电流在输出端产生与输入端不同的电压或电流。
PWM型DC-DC开关变换器的工作原理是利用开关元件将直流电源的电能转换为脉冲形式的电能，然后通过滤波电容和电感等元件进行滤波，最终获得稳定的输出电压或电流。
1.基本拓扑结构：PWM型DC-DC开关变换器有多种不同的拓扑结构，包括升压、降压、升降压和反激等。
研究人员通过对各种拓扑结构的比较与分析，选择最适合特定应用场景的拓扑结构。
2.控制策略：PWM型DC-DC开关变换器的控制策略是保证输出电压或电流稳定的关键。
常见的控制策略包括电流环控制、电压环控制、电压-电流双环控制等。
研究人员通过优化控制策略，提高开关变换器的性能指标，如响应时间、稳态误差和抗干扰能力等。
3.开关元件选型：开关元件的选型对PWM型DC-DC开关变换器的性能具有重要影响。
研究人员通过研究不同类型的开关元件（如MOSFET、IGBT等）的特性和参数，选择最适合特定应用场景的开关元件，并提出相关的控制策略和保护机制。
PWM型DC-DC开关变换器在各个领域中都有广泛的应用。
例如，PWM 型DC-DC开关变换器被应用于电动汽车以提供适宜的电源电压和电流；在太阳能光伏电池系统中，PWM型DC-DC开关变换器被用来调节光伏阵列的输出电压与负载匹配；此外，PWM型DC-DC开关变换器还被用于电力供应系统、通信设备、工业自动化等领域。
综上所述，PWM型DC-DC开关变换器是一种重要的电力转换设备，在不同领域中有广泛的应用。
对PWM型DC-DC开关变换器的研究包括基本拓扑结构、控制策略、开关元件选型和功率损耗分析等方面，通过优化这些关键技术，可以提高开关变换器的性能指标，满足各种应用需求。
半桥式D C D C变换器设计公司内部档案编码：[OPPTR-OPPT28-OPPTL98-OPPNN08]半桥式DC-DC变换器设计【摘要】近年来，随着电力电子器件、控制理论的发展和人们对电源性能要求的提高，电力电子技术引起了学者们的广泛关注。
目前一些发达国家正逐渐把电力变换技术广泛应用于民用工业领域，我国在这一领域的研究起步较晚，但随着国民经济的发展，适合于不同要求的各种变换器越来越引起科研人员的关注。
本文通过对Buck变换器的电路结构和工作原理进行分析，设计出一种半桥式DC-DC变换器，并采用闭环控制方法，将恒定的400V直流输入变为稳定5V 的直流输出，保证了系统的供电性能。
最后利用Matlab工具对所设计的电路进行仿真,仿真结果验证了所设计系统的有效性。
半桥式DC-DC变换器由于电路结构简单，功率器件少且功率管上受到的电压应力小，在中小功率场合得到了较为广泛的应用。
本文为进一步研究和开发相关产品提供借鉴。
【关键词】Buck 半桥 DC-DC MATLAB【ABSTRACT】In recent years, with the development of power electronic devices，control theory and the increasing demand of high-quality power supply, power electronics technology has aroused widely attention from scholars. Power electronics technology is used gradually in civilian industrial areas in some developed countries. With the national economic development, the variousconverters for different requirements are developed and the related technology is studied by scientist and scholar.In this paper, the Buck circuit structure and working principleare analyzed and a half-bridge DC-DC converter is designed. The designed converter uses closed loop control scheme and realized the function that the power form is converted from 400 V DC voltage to5 V DC voltage. The output voltage is stable and the performance ofthe designed converter is ensured. Simulation study was carried outand effectiveness of the designed converter is verified bysimulation results.【Key words】Buck half-bridge DC-DC MATLAB目录1 绪论 (1)研究背景 (1)变换器简介 (2)本文研究的内容 (3)2半桥式DC-DC变换器的工作原理 (4)半桥式DC-DC变换器的基本电路图及工作原理 (4)B UCK变换器 (6)线路组成 (6)工作原理 (7)带变压隔离器的DC-DC变换器拓扑 (9)3半桥式DC-DC变换器的系统设计 (15)电路参数的计算与选取 (15)闭环的控制方法与实现 (23)PWM的调制方法 (23)PID控制器 (24)PID控制器的参数整定 (26)闭环控制方法与实现 (26)4 MATLAB/SIMULINK仿真 (28)MATLAB/SIMULINK (28)半桥DC-DC变换器系统仿真模型的建立 (29)开关管控制脉冲仿真模块的建立 (31)实际系统仿真模块的搭建 (37)结束语 (41)参考文献 (42)致谢 (43)1 绪论研究背景随着科技的发展，在人们的日常生活中，电力已成为与生产生活息息相关的一部分，在各个场合，人们都需要各式各样的电力来为其服务，然而并不是所有的电力都能在一开始就能满足需要，于是就要求有电力变换的过程。
DC/DC变换器的PWM控制技术DC/DC变换器广泛应用于便携装置（如笔记本计算机、蜂窝电话、寻呼机、PDA等）中。
它有两种类型，即线性变换器和开关变换器。
开关变换器因具有效率高、灵活的正负极性和升降压方式的特点，而备受人们的青睐。
开关稳压器利用无源磁性元件和电容电路元件的能量存储特性，从输入电压源获取分离的能量，暂时地把能量以磁场形式存储在电感器中，或以电场形式存储在电容器中，然后将能量转换到负载，实现DC/DC 变换。
实现能量从源到负载的变换需要复杂的控制技术。
现在，大多数采用PWM（脉冲宽度调制）技术。
从输入电源提取的能量随脉宽变化，在一固定周期内保持平均能量转换。
PWM的占空因数（δ）是“on”时间（ton，从电源提取能量的时间）与总开关周期（T）之比。
对于开关稳压器，其稳定的输出电压正比于PWM占空因数，而且控制环路利用“大信号”占空因数做为对电源开关的控制信号。
开关频率和储能元件DC/DC变换器中，功率开关和储能元件的物理尺寸直接受工作频率影响。
磁性元件所耦合的功率是：P（L）=1/2（LI2f）。
随着频率的提高，为保持恒定的功率所要求的电感相应地减小。
由于电感与磁性材料的面积和线匝数有关，所以可以减小电感器的物理尺寸。
电容元件所耦合的功率是：P(c)=1/2(CV2f)，所以储能电容器可实现类似的尺寸减小。
元件尺寸的减小对于电源设计人员和系统设计人员来说都是非常重要的，可使得开关电源占用较小的体积和印刷电路板面积。
开关变换器拓扑结构开关变换器的拓扑结构系指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关元件和储能元件的不同配置。
很多不同的开关稳压器拓扑结构可分为两种基本类型：非隔离型（在工作期间输入源和输出负载共用一个共同的电流通路）和隔离型（能量转换是用一个相互耦合磁性元件（变压器）来实现的，而且从源到负载的耦合是借助于磁通而不是共同的电器）。
变换器拓扑结构是根据系统造价、性能指标和输入线/输出负载特性诸因素选定的。
软开关半桥DC/DC变换器的PWM控制
引言
半桥DC/DC变换器结构简单，控制方便，非常适用于中小功率场合。
硬开关变换器高频时开关损耗很大，严重影响其效率。
软开关技术可降低开关损耗和线路的EMI，提高效率和功率密度，提高开关频率从而减小变换器体积和重量。
传统半桥变换器有两种控制方法，一种是对称控制，一种是不对称互补控制。
本文主要分析实现半桥DC/DC变换器软开关的PWM控制策略。
1 控制型软开关PWM 控制策略
控制型软开关半桥DC/DC变换器不增加主电路元器件(可增加电感电容元件以实现软开关条件)，通过合理设计控制电路来实现软开关。
图1给出4种控制型软开关半桥DC/DC变换器的PWM 控制策略。
移相+PWM控制双Boost半桥双向DC-DC变换器软开关过程的分析肖旭;张方华;郑愫【摘要】移相+PWM控制结合了移相控制和PWM控制的优点,可以减小变换器的电流应力和通态损耗,减小环流能量,提高变换器传输功率的能力,扩宽开关管零电压关断(ZVS)的范围.本文以移相+PWM控制双Boost半桥双向DC-DC变换器为研究对象,给出了变换器在各种工作模式下开关过程的等效电路模型,以及漏电感电流和结电容电压的表达式.分析了各开关管ZVS开通的条件,以及影响各开关管实现ZVS的非理想因素.最后给出了在特定功率软开关条件下的参数设计方法,通过仿真和实验证明了理论分析与参数设计方法的正确性.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2015(030)016【总页数】10页(P17-25,55)【关键词】相移+PWM;双向DC-DC;双Boost半桥;ZVS【作者】肖旭;张方华;郑愫【作者单位】南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室南京210016;南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室南京 210016;南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室南京 210016【正文语种】中文【中图分类】TM4610 引言双向DC-DC变换器具有可以实现能量的双向传输、功率密度高等优点，在UPS、航空航天电源系统和电动汽车等场合具有很大的应用潜力[1-11]。
移相控制双向 DC-DC变换器具有易于实现软开关、变换效率高、功率密度高和动态响应快等优点，得到了广泛关注[1,6]。
由于移相控制主要是利用变压器的漏感传递能量，当输入、输出电压不匹配时变换器的电流应力和通态损耗会大大增加，同时增大了环流能量，还会影响软开关的实现，不利于变换器效率的提升[1,6-11]。
因此文献[7]提出一种移相+PWM控制方式的双向DC-DC变换器，引入PWM控制，相当于在电路中加入一个电子变压器，使得变压器一次、二次电压匹配，从而减小了变换器的电流应力，减小了通态损耗和环流能量，提高了变换器传输能量的能力，拓宽了零电压开关的范围。
零电压开关不对称半桥DC/DC变换器零电压开关不对称半桥DC/DC变换器类别：电源技术 0 引言 不对称半桥DC／DC变换器具有软开关工作、器件数量少以及控制简单等优点，因此，在不超过1000W的中小功率变换电路中得到广泛的应用。
但是，在传统的不对称半桥电路拓扑中，只有在变压器漏感和主开关的寄牛电容产生谐振时才能实现零电压开关，因此，为了实现软开关，谐振电感(即变压器漏感)的值必须足够大．而谐振电感与输出整流二极管的寄生电容在换流过程中会发生严重谐振，产生电压冲击，甚至击穿输出二极管，而且大的漏感会导致大的占空比丢失。
  为避免输出二极管误工作和损坏，必须限制由变压器漏感和二极管寄生参数谐振产生的过电压。
通常，在二极管两端加箝位和吸收电路可以限制该过电压，例如，经常使用的方法是在二极管两端加电阻-电容-二极管吸收电路(RCD电路)来抑止过电压。
但该电路最大的缺点是能量几乎全部消耗在电阻上，这将明显降低该变换器的效率。
另外，电压的波动会持续以较低的频率出现，而且很难消除。
 1 箝位二极管的作用 一个很好的解决方案是在变压器Tr的原边加箝位二极管，如图1所示：加箝位二极管的目的是在不改变变换器工作特性的前提下，消除输出整流管换流时与外部电感谐振吋产生的过电压，通过这两个二极管将变压器Tr原边电压箝位在电容C3和C4的端电压Vc1和Vc2。
其过程为：如果开关S1导通占空比为D，则S，的占空比为1-D，当S1导通吋，变压器原边的电压通过二极管Dg1箝位为Vc1，当S2导通时，变压器原边的电压经Dg2箝位为-Vc2，相应地副边的电位也箝位住了，输出整流二极管(Dr1和Dr2)上也不会出现明显的电压冲击。
此时，输入电压源和电容通过箝位二极管吸收输出整流管与外部电感谐振产生的能量，而通过箝位二极管的电流很小，而且它们只在输出整流管换流时才起作用，因此，它们对整个变换器的工作过程影响很小。
摘要：介绍了一种利用互补的 PWM 控制的不对称半桥 DC/DC 变换器。
分析了电路的稳态过程和开关的 ZVS 过程，同时对开关达到 ZVS 的条件进行了分析。
实验结果表明了这种电路对提高效率的有效性。
为了进一步改进电路，针对电路输出二极管的电压应力的不平衡，提出了一种副边绕组不相等的拓扑，并进行了分析。
1 引言
近年来，软开关技术得到了广泛的发展和应用，提出了不少高效率的电路拓扑，其中不对称半桥是一个比较典型的电路。
不对称半桥是一种适用于中低功率的 DC/DC 零电压开关（ ZVS ）变换器电路。
该电路采用固定死区的互补 PWM 控制方式，不需要外加元件，充分利用电路本身的分布特性，通过变压器漏感和开关寄生电容的谐振，实现零电压开关。
这种电路保持了 PWM 开关模式的低开关导通损耗，而且消除了开关的导通损耗，因此，可以得到很高的效率。
2 主电路的工作原理分析
2.1 电路的稳态分析
图 1 不对称半桥主电路图
不对称半桥的主电路如图 1 所示。
图 1 中包括两个互补控制的功率 MOSFET ，其中 S1的占空比为 D ， S2的占空比为（ 1 － D ）， D S1和 D S2是开关的体二极管， C S1 和 C S2 分别是开关的结电容。
隔直电容 C b ，作为开关 S2开通时的电源。
包括漏感 L k ，励磁电感 L m 的中心抽头的变压器，原边匝数为 N p ，副边匝数分别为 N s1 和 N s2 。
半桥全波整流二级管 D1和 D2。
输出滤波电感 L ，电容 C f 和负载 R L 。
电路的稳态工作原理为：
1 ）当 S1导通时，变压器原边承受正向电压，副边 N S1 工作，二极管 D1导通，开关 S2，二极管 D2截止；
2 ）当 S2导通时，隔直电容 C b 加在变压器的原边，副边 N S2 工作，开关 S1，二极管 D1截止。
理想的工作波形见图 2 。
其中 n 1 =N p/N S1， n 2 =N p/N S2，且 n 1 =n2=n。
通过对电路的稳态分析，可以得到以下的一些公式。
图 2 不对称半桥的理想波形
由于变压器的伏秒平衡，电压的直流分量都加在隔直电容 C b 上
V cb=DV in（ 1 ）
从输出滤波电感的磁平衡，可推导出输出电压
V o= （ 2 ）
2.2 开关的 ZVS 过程分析
下面分 3 个工作模式来分析开关 S2 的 ZVS 过程。
理想的工作波形见图 3 。
图 3 不对称半桥开关 S2 的 ZVS 过程的波形
1 ）开关模式 1 （ t 0 ～ t 1 ）在 t 0 时刻， S1关断， S1的寄生电容 C S1 被线性充电， S2的寄生电容 C S
2 线性放电。
变压器副边 D1续流。
此阶段在 t 1 时刻 v A =V cb结束。
2 ）开关模式 2 （ t 1 ～ t 2 ）t=t1时，变压器原边电压变为负，电容 C S1 、 C S2 和漏感 L k 发生串联谐振。
v A(t)=V cb－ I p1 Z n sinωk(t－ t 1 ) （ 3 ）
i p(t)=I p1cosωk(t－ t 1 ) （ 4 ）
式中： I p1 为 t 1 时的变压器原边电流；
Z n为特征阻抗， Z n=；
ωk为谐振角频率ωk=；
C=C S1=C S2。
由于负压加在 L k 上，漏感电流 I p 开始减小。
副边为了保持输出电流 I o 不变，整流二级管 D1和 D2一起导通，变压器副边等效短路，变压器原边电压全部加在漏感上。
3 ）开关模式 3 （ t 2 ～ t
4 ）在 t =t2时， v A =0 时， S2的体二极管 D S2开始导通，为 S2创造了零电压开通的条件。
这时一个恒定的电压 V cb 加在 L k 上，变压器原边电流 i p 线性下降，在 t =t3时， i p 过零，并反向增大，二极管 D1和 D2继续共同导通。
S2必须在 t 2 ～ t 3 之间导通，否则将失去零电压开通条件。
所以要适当设计开关脉冲之间的死区时间（ t a － t 0 ）。
通过对不对称半桥开关 S2的开通瞬态分析可知，要使开关能够实现 ZVS 开通，必须满足以下两个条件。
（ 1 ）在 S2开通时， S2两端的电压（即 v A ）必须小于零且 i p 仍为正向，也就是说，电路要有一定的负载电流，由式（ 3 ）可得
i p1> （ 5 ）
从而得出特征阻抗要满足的条件为
Z n>（ 6 ）
（ 2 ）两个开关脉冲之间要保证适当的死区时间，使得 S2在其电压过零时开通。
也就是要满足 t 2 － t 0 <t a－ t 0 <t3－ t 0 ，其中
t2－ t 0 =C（ 7 ）
t3－ t 0 =(t2－ t 0 ) ＋ L k （ 8 ）
S1的零电压开通过程同 S2类似。
当 S2关断， S1准备开通时， i p 给 C S2 充电，而 C S1 放电。
L k ， C S1 ， C S2 组成串联谐振电路。
当 C S1 上的电压放到零时， S1的体二极管 D S1开通，这时开通 S1 ，就实现了 S1的 ZVS 开通。
3 实验结果
根据以上的分析，设计了一个频率为 100kHz 的电路。
输入电压为 40 ～ 60V ，输出电压为 12V ，输出电流为 6A 。
原边开关选用 STP75NE75 ， D1选用 STP10H100CT ， D2选用 STP30L60CT 。
功率变压器选用 EER28 骨架， N p =10 匝， N S1 =N S2=6 匝。
实验所得的 S1、 S2的漏源极电压波形与漏极电流波形见图 4 。
从图 4 中可以看出， S1和 S2都实现了 ZVS 。
图 4 在不同输入电压时的实验波形
4 不对称半桥的改进
对图 1 的稳态分析还可以得出输出二级管关断时承受的反向电压
如前所述 , 不对称半桥占空比的最大值是 0.5 。
所以 , 从式（ 9 ）:V D1和式（ 10 ）:V D2可以得出，当占空比很小时，二极管 D2承受的反压就会很大。
而且这种情况在输入电压范围宽时更加严重。
如果采用副边绕组不相等的电路（即 N s2 /N s1大于 1 ），则占空比就可以大于 0.5 ，从而消除这种二极管电压应力不均的问题。
这时不对称半桥的输出电压V o为
下面具体推导如何根据已知条件求出 Ns2/Ns1 的值。
令 a =N s2/N s1（ 12 ）
则式（ 11 ）可变为
N s1 = （ 13 ）
令占空比的变化范围为 D 1 ～ D 2 ，且 D 1 <0.5<D2，也就是说，当输入电压为最大值 V inmax 时，占空比为 D 1 ，当输入电压为最小值时，占空比为 D 2 ，即
由式 (14):N s1，式 (15):N s1可得
令 f (D2)= ，并求这个函数的最大值，可以得出，在
D2= （ 17 ）
时，函数 f (D2) 取得最大值。
显而易见，当占空比对称地分布在 0.5 左右时，可以得到最理想效果。
可以得到
D1= （ 18 ）
把式（ 17 ）和（ 18 ）代入式（ 16 ），就可以得到 a 的值了。
以本文实验为例，来说明不对称绕组对二极管选用的好处。
图 5 输出二极管的电压应力
图 5 是输出电压为 12V 时输出二极管的电压应力图。
从图 5 中可以看出，当 N s2 /N s1增加时，二极管 D1的电压应力会增大，而二极管 D2的电压应力会减小。
当 N s2 /N s1=1 时， 2 个二极管的电压应力范围约为 25 ～ 50V 。
当 N s2 /N s1=3 时，二极管的最大电压应力小于 35V 。
5 结语
不对称半桥 DC/DC 变换器由于采用了互补的 PWM 控制，充分利用电路的特性，以谐振的方式达到开关的 ZVS 开通，从而消除了开关损耗，提高了电路的效率。
同时，采用副边绕组的不对称解决了普通的不对称半桥电路输出二极管电压应力不均的问题。
这样可以选用低电压的二极管，即节约了成本，还进一步提高了电路的效率。
