基于软开关的24 V开关电源的设计与仿真

2012-10-13刘光亚方治昊

湖北工业大学学报 2012年2期

刘光亚，方治昊

（湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北武汉430068）

近年来，软开关技术在开关电源中得到发展，软开关不对称半桥是其中应用较为广泛的一种电路拓扑.在桥式电路中，与全桥电路相比，半桥电路拓扑较为简单，可以省去一组开关管以及相应的驱动电路，因此在成本方面的优势较为明显，实际应用较为广泛［1］.对称半桥在高频应用场合开关损耗较大，严重降低了效率.而采用软开关不对称半桥可以降低开关损耗，通过提高开关频率来减小变压器的体积.此外，软开关不对称半桥还能减小线路的电磁干扰.软开关不对称半桥利用寄生电容和变压器漏感谐振实现ZVS（零电压开关），极大地降低了开关损耗.与对称半桥相比，不对称半桥软开关的电路结构复杂性和成本并没有增加，因此是一种性价比较高的软开关电路拓扑［2］.

1 24 V／12 A开关电源总体结构

24 V／12 A开关电源包括主电路、驱动电路、控制电路、保护电路、辅助电路等部分［3］.输入220 V交流电压经过EMI滤波和整流滤波之后，得到约300 V的直流电压加在半桥变换器上，用脉宽调制电路产生的PWM波去驱动功率MOSFET开关管，在功率变压器的次级得到准方波电压，再经过整流滤波及反馈控制后可在输出端得到稳定的直流24 V电压（图1）.

1.1 整流滤波电路

50 Hz、220 V的交流电先经过EMI滤波器，再经单相全桥整流电路整流后得到带有脉动的直流电压，然后经过电感滤波得到较为平直的直流电压［4］.全桥整流电路原理见图2.

当S1与S4导通时，W2电压为正半周，对VD1、VD4加正向电压，VD1、VD4导通，电路中构成W2、VD1、U0、VD4回路，在U0上形成上正下负的半波整流电压；当S3与S2导通时，W2电压为负半周，对VD3、VD2加正向电压，VD3、VD2导通，电路中构成W2、VD3、U0、VD2回路，在U0上形成上正下负的另外半波整流电压.输出电压U0由原边上正下负的正弦电压变为脉动的直流电压，再经电感L滤波，变为较为平直的直流电压.

1.2 不对称半桥式变换器

设计开关电源功率约为300 W，由于半桥式变换器主要适用于中低频率，故选用半桥式变换器［5］.不对称半桥电路与传统半桥电路相比，主电路拓扑基本相同，几乎不需要添加辅助器件.不对称半桥充分利用电路自身的特性，通过开关管MOSFET的寄生电容及变压器的漏感在两个开关管的死区时间里发生谐振，实现零电压开通［6］.

图3 不对称半桥变换器原理图

不对称半桥主电路见图3，一次侧由两个开关S1与S2、变压器的漏感Lr和隔直电容Cc构成，二次侧包括中心抽头的变压器、整流二极管NS1与NS2以及输出电感L0和电容C0所组成的滤波电路，其中开关管S1与S2的控制信号互补，主电路通过开关管MOSFET的寄生电容及变压器的漏感在开关转换过程中发生谐振实现ZVS［7］.

不对称半桥电路的开关状态分为以下阶段：

1）线性充放电阶段；

2）谐振暂态阶段；

3）电感放电阶段；

4）能量传送阶段；

5）线性充放电阶段；

6）谐振暂态阶段；

7）电感放电阶段；

8）能量传送阶段.不对称半桥的ZVS波形见图4.

不对称半桥电路部分器件选型如下：

24 V／12 A开关电源的功率约300 W，工作频率为50 k Hz，功率变压器选用铁氧体EC＿40型铁芯，其部分参数为：磁导率2000，饱和磁感强度3 000 Gs，居里温度200℃，窗口面积6.82 c m2，铁心的截面积2.5 c m2；导线选用25 mm×0.15 mm的多股线2股并绕；开关管MOSFET选择FQP9 N50；整流二极管选择FCH20 A20；输出滤波电容选择470 u F／35 V的电解电容；隔直电容选择1 uf／400 V的CBB电容.