移相全橋學習筆記(一)
在早期的大功率電源(輸出功率大于1KW)應用中,硬開關全橋(Full-Bridge)拓撲是應用最為廣泛的一種,其特點是開關頻率固定,開關管承受的電壓與電流應力小,便于控制,特別是適合于低壓大電流,以及輸出電壓與電流變化較大的場合。但受制于開關器件的損耗,無法將開關頻率提升以獲得更高的功率密度。例如:一個5KW的電源,采用硬開關全橋,即使效率做到92%,那么依然還有400W的損耗,那么每提升一個點的效率,就可以減少50W的損耗,特別在多臺并機以及長時間運行的系統中,其經濟效益相當可觀。
隨后,人們在硬開關全橋的基礎上,開發出了一種軟開關的全橋拓撲——移相全橋(Phase-Shifting Full-Bridge Converter,簡稱PS FB),利用功率器件的結電容與變壓器的漏感作為諧振元件,使全橋電源的4個開關管依次在零電壓下導通(Zero voltage Switching,簡稱ZVS),來實現恒頻軟開關,提升電源的整體效率與EMI性能,當然還可以提高電源的功率密度。
各個元件的意義如下:
Vin:輸入的直流電源
T1-T4:4個主開關管,一般是MOSFET或IGBT
T1,T2稱為超前臂開關管,T3,T4稱為滯后臂開關管
C1-C4:4個開關管的寄生電容或外加諧振電容
D1-D4:4個開關管的寄生二極管或外加續流二極管
VD1,VD2:電源次級高頻整流二極管
TR:移相全橋電源變壓器
Lp:變壓器原邊繞組電感量
Ls1,Ls2:變壓器副邊電感量
Lr:變壓器原邊漏感或原邊漏感與外加電感的和
Lf:移相全橋電源次級輸出續流電感
Cf: 移相全橋電源次級輸出電容
RL: 移相全橋電源次級負載
因為是做理論分析,所以要將一些器件的特性理想化,具體如下:
1、 假設所有的開關管為理想元件,開通與關斷不存在延遲,導通電阻無窮。婚_關管的體二極管或者外部的二極管也為理想元件,其開通與關斷不存在延遲,正向壓降為0。
2、 所有的電感,電容都為理想元件,不存在寄生參數,變壓器也為理想變壓器,不存在漏感與分布參數的影響,勵磁電感無窮大,勵磁電流可以忽略,諧振電感是外加的。
3、 超前橋臂與滯后的諧振電容都相等,即C1=C2=Clead,C3=C4=Clag。
次級續流電感通過匝比折算到初級的電感量LS`遠遠大于諧振電感的感量Lr即LS=Lr*n2》Lr。
PS FB一個周期可以分為12中工作模態,其中正負半周期是對應的關系,只不過改變的是電流在橋臂上的流向,下面我們首先來分析這12個工作模態的情況,揭開移相全橋的神秘面紗。
工作模態一:正半周期功率輸出過程
此時T1與T4同時導通,T2與T3同時關斷,原邊電流的流向是T1—Lp—Lk—T4。
此時的輸入電壓幾乎全部降落在圖中的A,B兩點上,即UAB=Vin, 此時AB兩點的電感量除了有Lp與Lk之外,應該還有次級反射回來的電感LS`(因為此時次級二極管VD1是導通的),即LS`=n2* Lf,由于是按照匝比平方折算回來,所以LS`會比Lk大很多,導致Ip上升緩慢,上升電流△Ip為△ Ip=(Vin-n*Uo)*(t1-t0)/( Lk+ LS`)
Vin-n*UO 是諧振電感兩端的電壓,就是用輸入電壓減去次級反射回來的電壓。
此過程中,根據變壓器的同名端關系,次級二極管VD1導通,VD2關斷,變壓器原邊向負載提供能量,同時給輸出電感Lf與輸出電容Cf儲能。(圖中未畫出)
此時, UC2=UC3=UA=UAB=Vin UB=0V
工作模態二:超前臂諧振過程
此時超前橋臂上管T1在t1時刻關斷,但由于電感兩端電流不能突變的特性,變壓器原邊的電流仍然需要維持原來的方向,故電流被轉移到C1與C2中,C1被充電,電壓很快會上升到輸入電壓Vin,而C2開始放電,電壓很快就下降到0,即將A點的電位鉗位到0V。
由于次級折算過來的感量LS`遠遠大于諧振電感的感量Lk,故基本可以認為此是的原邊類似一個恒流源,此時的ip基本不變,或下降很小。
C1兩端的電壓由下式給出
Vc1=Ip*(t2-t1)/(C1+C3)= Ip*(t2-t1)/2 Clead
C2兩端的電壓由下式給出
Vc1= Vin- 【Ip*(t2-t1)/2 Clead】
其中Ip是在模態2流過原邊電感的電流,在T2時刻C1上的電壓很快上升到Vin,C2上的電壓很快變成0V,D2開始導通。
在t2時刻之前,C1充滿電,C2放完電,即 VC1= VC3= Vin VC2=VA=VB= 0V
模態2的時間為△t= t2-t1=2 Clead * Vin/ Ip
工作模態三:原邊電流正半周期鉗位續流過程
此時二極管D2已經完全導通續流,將超前臂下管T2兩端的電壓鉗位到0V,此時將T2打開,就實現了超前臂下管T2的ZVS開通;但此時的原邊電流仍然是從D2走,而不是T2。
此時流過原邊的電流仍然較大,等與副邊電感Lf的電流折算到原邊的電流即 ip(t)= iLf(t)/n
此時電流的下降速度跟電感量有關。
從超前臂T1關斷到T2打開這段時間td,稱為超前臂死區時間,為保證滿足T2的ZVS開通條件,就必須讓C3放電到0V,即
td ≥△t= t2-t1=2 Clead * Vin/ Ip
此時, UC1=UC3=Vin , UA=UB=UAB=0V