移相全橋?qū)W習(xí)筆記(二)
工作模態(tài)四:正半周期滯后臂諧振過程
在T3時(shí)刻將滯后臂下管T4關(guān)斷,在T4關(guān)斷前,C4兩端的電壓為0,所以T4是零電壓關(guān)斷。
由于T4的關(guān)斷,原邊電流ip突然失去通路,但由電感的原理我們知道,原邊電流不允許突變,需要維持原來的方向,以一定的速率減少。所以,原邊電流ip會(huì)對(duì)C4充電,使C4兩端的電壓慢慢往上升,同時(shí)抽走C3兩端的電荷。
即 ip(t)=I2sinω(t-t3)
vc4(t)=ZpI2sinω(t-t3)
vc3(t)=Vin-ZpI2sinω(t-t3)
其中,I2:t3時(shí)刻,原邊電流下降之后的電流值
Zp:滯后臂的諧振阻抗,Zp= )0.5
ω:滯后臂的諧振角頻率,ω=1/(2Lr*Clag)0.5
可能有人會(huì)感到奇怪,電流怎么出現(xiàn)了正弦函數(shù)關(guān)系呢,沒錯(cuò),因?yàn)榇藭r(shí)是原邊的諧振電感Lr與滯后臂的兩個(gè)電容C3,C4諧振,其關(guān)系就是正弦關(guān)系。
為何我上面提到只有原邊的諧振電感Lr參加諧振呢,那么次級(jí)的儲(chǔ)能電感是否有參加諧振呢?下面我們來分析一下:
由于滯后臂下管T4的關(guān)斷,C4慢慢建立起電壓,而最終等于電源電壓,即UC4=Vin,從圖紙上我們可以看到,UC4其實(shí)就是B點(diǎn)的電壓,C4兩端電壓的上升就是B點(diǎn)電壓由0V慢慢的上升過程,而此時(shí)A點(diǎn)電壓被鉗位到0V,所以這會(huì)導(dǎo)致UAB<0V,也就是說這個(gè)時(shí)候原邊繞組的電壓已經(jīng)開始反向。
由于原邊電壓的反向,根據(jù)同名端的關(guān)系,LS1,LS2同時(shí)出現(xiàn)下正上負(fù)的關(guān)系,此時(shí)VD2開始導(dǎo)通并流過電流;而由于LS1與Lf的關(guān)系,流過LS1與VD1的電流不能馬上減少到0,只能慢慢的減少;而且通過VD2的電流也只能慢慢的增加,所以出現(xiàn)了VD1與VD2同時(shí)導(dǎo)通的情況,即副邊繞組LS1,LS2同時(shí)出現(xiàn)了短路。
而副邊繞組的短路,導(dǎo)致Lf反射到原邊去的通路被切斷,也就是說會(huì)導(dǎo)致原邊參加諧振的電感量由原來的(Lf*n2+ Lr)迅速減少到只剩Lr,由于Lr比(Lf*n2+ Lr)小很多,所以原邊電流會(huì)迅速減少。
此時(shí),原邊的UAB=ULr=-Vin,UA=0V, UB= Vin
開關(guān)模態(tài)五:諧振結(jié)束,原邊電感向電網(wǎng)饋
當(dāng)C4充電到Vin之后,諧振結(jié)束,就不再有電流流過C3,C4,轉(zhuǎn)而D3自然導(dǎo)通,原邊電流通過D2—Lr—D3向電網(wǎng)饋能,其實(shí)能量來源于儲(chǔ)存在Lr中的能量,此時(shí)原邊電流迅速減少,
ip(t)= Ip4- (t-t4)
其中 Ip4是t4時(shí)刻的原邊電流值
在t5時(shí)刻減少到0。
此時(shí)T3兩端的電壓降為0V,只要在這個(gè)時(shí)間將T3開啟,那么T3就達(dá)到了零電壓開啟的效果。
在這里有幾個(gè)概念需要介紹下:
死區(qū)時(shí)間:超前臂或滯后臂的上下兩管,開通或關(guān)閉的間隔時(shí)間,移相全橋電源每個(gè)周期有4個(gè)死區(qū)時(shí)間。
諧振周期:滯后臂兩個(gè)管子關(guān)斷之后到超前臂兩個(gè)管子開通之前,次級(jí)電感通過匝比反射回來的電感與諧振電感之和與各自的諧振電容的2個(gè)諧振時(shí)間;還有就是超前臂已經(jīng)開通,滯后臂兩個(gè)管子換流之前,諧振電感與各自的諧振電容的2個(gè)諧振時(shí)間。
移相角度:指的是超前臂上管開通到滯后臂下管的開通的時(shí)間間隔或超前臂下管開通到滯后臂上管的開通的時(shí)間間隔,再轉(zhuǎn)換成角頻率ω
ω=2∏f=2∏/T.
對(duì)于開關(guān)模態(tài)5來說,諧振周期一定要小于死區(qū)時(shí)間,否則就不能達(dá)到滯后臂的ZVS效果了。但此時(shí)的諧振電感是沒有次級(jí)電感通過匝比反射回來的,所以只有諧振電感參與了諧振,在設(shè)計(jì)的時(shí)候小心了,諧振電感一定要足夠大,否則諧振能量不夠的話,原邊電流就會(huì)畸變。
在t5時(shí)刻,UAB=ULr=-Vin,UA=0V, UB= UC1= Vin
開關(guān)模態(tài)六:原邊電流從0反向增大
如圖所示,在t5時(shí)刻之前,T3已經(jīng)導(dǎo)通,在t5時(shí)刻原邊電流ip已經(jīng)下降到0,由于沒有了電流,所以D2,D3自然關(guān)斷。
在t5-t6的時(shí)間內(nèi),副邊的二極管D1,D2還是同時(shí)導(dǎo)通流過電流,將副邊繞組短路,阻斷輸出電感反射到初級(jí)的途徑,此時(shí)的負(fù)載電流還是由次級(jí)電感與輸出電容提供;同時(shí),由于原邊的T2,T3已經(jīng)導(dǎo)通,原邊電流ip流過T3--Lr--T2,又因?yàn)長(zhǎng)r很小,所以原邊電流ip就會(huì)反向急劇增大。
即 ip(t)= - (t-t5)
在t6時(shí)刻,ip達(dá)到最大,等于副邊的電感電流折算到初級(jí)的電流
即 ip(t6)= - ILf(t6)/n
在這個(gè)開關(guān)模態(tài),原邊電流是不傳遞能量的,但副邊卻存在著一個(gè)劇烈的換流過程,通過副邊二極管VD1的電流迅速減少,VD2的電流迅速增大,在t6時(shí)刻,通過VD1的電流減少到0,通過VD2的電流等于電感電流ILf。
在t6時(shí)刻之前,原邊的UAB= ULr=-Vin,UA=0V, UB= Vin
達(dá)到t6時(shí)刻之后,移相全橋的正半周期工作結(jié)束;并開始負(fù)半周期工作,其工作原理與正半周期相似,下面來做進(jìn)一步的分析:
開關(guān)模態(tài)七:負(fù)半周期功率輸出過程
此時(shí)T2與T3同時(shí)導(dǎo)通,T1與T4同時(shí)關(guān)斷,原邊電流ip的流向是T3—Lk—Lp—T2,如圖所示。
此時(shí)的輸入電壓幾乎全部降落在圖中的B,A兩點(diǎn)上,即UAB=-Vin, 此時(shí)AB兩點(diǎn)的電感量除了圖上標(biāo)示出的Lp與Lk之外,應(yīng)該還有次級(jí)反射回來的電感LS`(因?yàn)榇藭r(shí)次級(jí)二極管VD2是導(dǎo)通的),即LS`=n2* Lf,由于是按照匝比平方折算回來,所以LS`會(huì)比Lk大很多,導(dǎo)致Ip上升緩慢,上升電流△Ip為-△Ip=-【 (Vin-n*Uo)*(t7-t6)/( Lk+ LS`)】
此過程中,根據(jù)變壓器的同名端關(guān)系,次級(jí)二極管VD2導(dǎo)通,VD1關(guān)斷,變壓器原邊向負(fù)載提供能量,同時(shí)給輸出電感Lf與輸出電容Cf儲(chǔ)能。
此時(shí), UC1 =UC4=UB =Vin UAB=-Vin UA=0V
開關(guān)模態(tài)八:負(fù)半周期超前臂諧振過程
此時(shí)超前橋臂下管T2在t7時(shí)刻關(guān)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(zhuǎn)移到C1與C2中,C2被充電,電壓很快會(huì)上升到輸入電壓Vin,而C1的電荷很快就被抽走,C1兩端電壓很快就下降到0V,即將A點(diǎn)的電位鉗位到Vin。
由于次級(jí)折算過來的感量LS`遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于諧振電感的感量Lk,故基本可以認(rèn)為此是的原邊類似一個(gè)恒流源,此時(shí)的ip基本不變,或下降很小。
C2兩端的電壓由下式給出
Vc2=︱-Ip︱*(t8-t7)/(C1+C2)= Ip*(t8-t7)/2 Clead
C1兩端的電壓由下式給出
Vc1= Vin- 【︱-Ip︱*(t8-t7)/2 Clead】
其中Ip是在模態(tài)8流過原邊電感的電流,在t8時(shí)刻之前,C2上的電壓很快上升到Vin,C1上的電壓很快變成0V,D1開始導(dǎo)通。
在t8時(shí)刻之前,C2充滿電,C1放完電,即 VC2= VC4=VA=VB = Vin VC1=VAB= 0V
模態(tài)8的時(shí)間為
△t= t8-t7=2 Clead * Vin/ Ip
注意:此△t時(shí)間要小于死區(qū)時(shí)間,否則將影響ZVS效果。
第4、8種工作模式分別是滯后臂與超前臂的諧振模式,稍后上詳細(xì)的分析過程
開關(guān)模態(tài)九:原邊電流負(fù)半周期鉗位續(xù)流過程
在t8時(shí)刻二極管D1已經(jīng)完全導(dǎo)通續(xù)流,將超前臂上管T1兩端的電壓鉗位到0V,此時(shí)將T1打開,就實(shí)現(xiàn)了超前臂上管T1的ZVS開通;但此時(shí)的原邊電流仍然是從D1走,而不是T1。
此時(shí)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(shí)電流的下降速度跟副邊電感的電感量有關(guān)。
從超前臂T2關(guān)斷到T1打開這段時(shí)間td,稱為超前臂死區(qū)時(shí)間,為保證滿足T1的ZVS開通條件,就必須讓C1放電到0V,即
td ≥△t= t9-t8=2 Clead * Vin/ Ip
此時(shí), UC2=UC4=UA=UB =Vin , UAB=0V