移相全桥学习笔记

移相全桥学习笔记在早期的大功率电源（输出功率大于1KW）应用中，硬开关全桥(Full-Bridge)拓扑是应用最为广泛的一种，其特点是开关频率固定，开关管承受的电压与电流应力小，便于控制，特别是适合于低压大电流，以及输出电压与电流变化较大的场合。但受制于开关器件的损耗，无法将开关频率提升以获得更高的功率密度。例如：一个5KW的电源，采用硬开关全桥，即使效率做到92%，那么依然还有400W的损耗，那么每提升一个点的效率，就可以减少50W的损耗，特别在多台并机以及长时间运行的系统中，其经济效益相当可观。随后，人们在硬开关全桥的基础上，开发出了一种软开关的全桥拓扑——移相全桥(Phase-ShiftingFull-BridgeConverter，简称PSFB)，利用功率器件的结电容与变压器的漏感作为谐振元件，使全桥电源的4个开关管依次在零电压下导通(ZerovoltageSwitching，简称ZVS)，来实现恒频软开关，提升电源的整体效率与EMI性能，当然还可以提高电源的功率密度。上图是移相全桥的拓扑图，各个元件的意义如下：Vin：输入的直流电源T1-T4：4个主开关管，一般是MOSFET或IGBTT1,T2称为超前臂开关管，T3,T4称为滞后臂开关管C1-C4：4个开关管的寄生电容或外加谐振电容D1-D4：4个开关管的寄生二极管或外加续流二极管VD1,VD2:电源次级高频整流二极管TR：移相全桥电源变压器Lp：变压器原边绕组电感量Ls1,Ls2:变压器副边电感量Lr：变压器原边漏感或原边漏感与外加电感的和,那是谐振电感，可以用漏感来做谐振电感，或者用外加谐振电感与漏感的和来做谐振电感Lf：移相全桥电源次级输出续流电感Cf:移相全桥电源次级输出电容RL:移相全桥电源次级负载因为是做理论分析，所以要将一些器件的特性理想化，具体如下：1、假设所有的开关管为理想元件，开通与关断不存在延迟，导通电阻无穷小；开关管的体二极管或者外部的二极管也为理想元件，其开通与关断不存在延迟，正向压降为0。2、所有的电感，电容都为理想元件，不存在寄生参数，变压器也为理想变压器，不存在感与分布参数的影响，励磁电感无穷大，励磁电流可以忽略，谐振电感是外加的。3、超前桥臂与滞后的谐振电容都相等，即C1=C2=Clead，C3=C4=Clag。次级续流电感通过匝比折算到初级的电感量LS`远远大于谐振电感的感量Lr，即LS`=Lr*n2》Lr。PSFB一个周期可以分为12中工作模态，其中正负半周期是对应的关系，只不过改变的是电流在桥臂上的流向，下面我们首先来分析这12个工作模态的情况，揭开移相全桥的神秘面纱。工作模态一：正半周期功率输出过程如上图,此时T1与T4同时导通，T2与T3同时关断，原边电流的流向是T1—Lp—Lk—T4,如图所示。此时的输入电压几乎全部降落在图中的A,B两点上，即UAB=Vin,此时AB两点的电感量除了图上标示出的Lp与Lk之外，应该还有次级反射回来的电感LS`（因为此时次级二极管VD1是导通的），即LS`=n2*Lf,由于是按照匝比平方折算回来，所以LS`会比Lk大很多，导致Ip上升缓慢，上升电流△Ip为△Ip=(Vin-n*Uo)*(t1-t0)/(Lk+LS`)此过程中，根据变压器的同名端关系，次级二极管VD1导通，VD2关断，变压器原边向负载提供能量，同时给输出电感Lf与输出电容Cf储能。（图中未画出）此时，UC2=UC3=UA=UAB=VinUB=0V工作模态二：超前臂谐振过程如上图，此时超前桥臂上管T1在t1时刻关断，但由于电感两端电流不能突变的特性，变压器原边的电流仍然需要维持原来的方向，故电流被转移到C1与C2中，C1被充电，电压很快会上升到输入电压Vin，而C2开始放电，电压很快就下降到0，即将A点的电位钳位到0V。由于次级折算过来的感量LS`远远大于谐振电感的感量Lk，故基本可以认为此是的原边类似一个恒流源，此时的ip基本不变，或下降很小。C1两端的电压由下式给出Vc1=Ip*(t2-t1)/(C1+C3)=Ip*(t2-t1)/2CleadC2两端的电压由下式给出Vc1=Vin-【Ip*(t2-t1)/2Clead】其中Ip是在模态2流过原边电感的电流，在T2时刻C1上的电压很快上升到Vin，C2上的电压很快变成0V，D2开始导通。在t2时刻之前，C1充满电，C2放完电，即VC1=VC3=VinVC2=VA=VB=0V模态2的时间为△t=t2-t1=2Clead*Vin/Ip工作模态三：原边电流正半周期钳位续流过程如上图，此时二极管D2已经完全导通续流，将超前臂下管T2两端的电压钳位到0V，此时将T2打开，就实现了超前臂下管T2的ZVS开通；但此时的原边电流仍然是从D2走，而不是T2。此时流过原边的电流仍然较大，等与副边电感Lf的电流折算到原边的电流即ip(t)=iLf(t)/n此时电流的下降速度跟电感量有关。从超前臂T1关断到T2打开这段时间td，称为超前臂死区时间，为保证满足T2的ZVS开通条件，就必须让C3放电到0V，即td≥△t=t2-t1=2Clead*Vin/Ip此时，UC1=UC3=Vin，UA=UB=UAB=0V