移相全橋拓?fù)潆娐窐?gòu)成與工作原理

提到電源拓?fù)?，首先要說的就是移相全橋拓?fù)淅?，它在隔離型DC-DC電源中應(yīng)用十分廣泛，本期對(duì)其電路構(gòu)成與工作原理為大家進(jìn)行分析。

一、拓?fù)錁?gòu)成

移相全橋拓?fù)洳捎靡葡嗫刂品绞?，利用功率器件的結(jié)電容與諧振電感的諧振實(shí)現(xiàn)恒頻軟開關(guān)。

移相全橋有零電壓開關(guān)(ZVS)和零電壓零電流開關(guān)(ZVZCS)兩種實(shí)現(xiàn)方式。ZVZCS由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜并不常用，因此本篇將重點(diǎn)介紹ZVS移相全橋電路。

ZVS移相全橋電路能夠有效降低功率管開關(guān)損耗，提高開關(guān)頻率，減小裝置體積。電路控制方式簡(jiǎn)單，適用于多種輸入電源和負(fù)載類型。

其基本電路包括：原邊全橋電路、變壓器和副邊整流電路，參見下圖。常用副邊電路有全波整流電路（下圖(a)）與全橋整流電路（下圖(b)）。

全橋整流多適用于大功率場(chǎng)合，小功率場(chǎng)合可采用全波整流。

原邊全橋電路包含：

輸入直流源Vin 、輸入電容Cin、功率開關(guān)管器件（Q1~Q4）以及諧振電感Lr ，其中體二極管（D1~D4）以及寄生結(jié)電容（C1~C4） 為功率開關(guān)器件的自有部分。

為抑制變壓器磁飽和，部分電路會(huì)在Lr 后串聯(lián)隔直電容。

副邊電路包含：整流二極管（DR1~DR4）、濾波電感（Lf）、濾波電容（Cf）以及負(fù)載（Rd）。

二、工作原理

1、PWM控制方式

移相全橋電路分為超前橋臂（Q1、Q2）與滯后橋臂（Q3、Q4），同一橋臂的上下兩個(gè)開關(guān)管輪流導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)控制。

移相角：對(duì)角兩個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通相位差（0°~180°）?？梢酝ㄟ^控制移相角的大小改變?cè)呡敵鲭妷赫伎毡龋瑥亩{(diào)節(jié)輸出電壓。

死區(qū)時(shí)間：同一臂上下兩管的開通與關(guān)斷之間的間隔時(shí)間。

為便于分析電路工作過程，我們做以下假設(shè)：

?功率開關(guān)管的寄生電容應(yīng)滿足C1=C2=Clead，C3=C4=Clag；

?濾波電感足夠大，滿足Lf＞＞Lr/K2其中K為變壓器原副邊匝比；

?輸出濾波電容足夠大，其電壓可認(rèn)為是恒壓源。

2、工作模態(tài)分析

移相全橋的一個(gè)周期中包含12個(gè)工作模態(tài)，下面以半個(gè)周期（t0~t6）為例進(jìn)行講解，電路副邊為全波整流電路。

?工作模態(tài)1（t0~t1）：正半周期功率輸出模式

t0時(shí)刻Q1、Q4導(dǎo)通且VAB處于恒定狀態(tài)（VAB=Vin），原邊電流Ip經(jīng)Q1、Lr、Q4向負(fù)載供電，同時(shí)給結(jié)電容C2、C3充電。變壓器副邊DR1導(dǎo)通，DR2截止，DR1、Lf、Rd構(gòu)成供電回路。濾波電感Lf的電流在電壓VLf=Vin/n-V0的作用下線性增加。

?工作模態(tài)2（t1~t2）：超前橋臂諧振模式

在t1時(shí)刻，Q1關(guān)斷，由于諧振電感Lr的存在，電流Ip不會(huì)突變，仍維持正向(A→B)流動(dòng)，Ip從Q1中轉(zhuǎn)移到C1和C2支路中，對(duì)C1充電并對(duì)C2放電，C1、C2與Lr發(fā)生諧振。由于C1、C2的作用，Q1零電壓關(guān)斷。由于諧振電感Lr和原邊等效濾波電感Lf串聯(lián)，因而電感很大，可認(rèn)為原邊電流Ip近似不變，類似于一個(gè)恒流源。

?工作模態(tài)3（t2~t3）：原邊電流鉗位續(xù)流模式

t2時(shí)刻C1與C2充放電結(jié)束。此時(shí)C2兩端電壓為0，電流經(jīng)D2續(xù)流，并將開關(guān)管Q2漏源極的電壓箝位為０，此時(shí)便可實(shí)現(xiàn)Q2的零電壓開通。

此時(shí)VAB為0，原邊電流Ip仍按原方向繼續(xù)流動(dòng)，但是在不斷減小。

?工作模態(tài)4（t3~t4）：滯后橋臂諧振模式

t3時(shí)刻，Q4關(guān)斷。Ip從Q4中轉(zhuǎn)移到C3和C4支路中，對(duì)C4充電并對(duì)C3放電，諧振電感Lr和C3、C4發(fā)生諧振。由于有C3和C4作用，Q4零電壓關(guān)斷。此時(shí)AB之間電壓由0變?yōu)樨?fù)（VAB=-VC4），副邊變壓器感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反向，使得整流二極管DR2導(dǎo)通，DR1和DR2同時(shí)導(dǎo)通后將變壓器的副邊線圈短路。在此過程中DR1中電流不斷減小，DR2中電流不斷增大。

?工作模態(tài)5（t4~t5）：諧振能量回饋電源模式

t4時(shí)刻，C3與C4充放電結(jié)束。此時(shí)VAB=-VC4=-Vin,D3導(dǎo)通續(xù)流，將開關(guān)管Q3漏源極的電壓箝位為０，此時(shí)便可實(shí)現(xiàn)Q3的零電壓開通。體二極管D2、D3續(xù)流，將諧振電感Lr所儲(chǔ)存的能量回饋給電源，變壓器原邊電流Ip線性減小。

?工作模態(tài)6（t5~t6）：原邊電流緩變模式

t5時(shí)刻，Ip將為零后向負(fù)向增大。此時(shí)D2與D3關(guān)斷，Q2和Q3為原邊電流提供通路。此時(shí)原邊電流仍不足以提供負(fù)載電流，副邊繞組還處于短接狀態(tài)。因此原邊繞組電壓仍為零，電壓Vin全部施加在Lr兩端，反向線性上升。直到t6時(shí)刻，DR1與DR2換流結(jié)束,DR1截止，隨后進(jìn)入負(fù)半周期的功率輸出模式（Q2、Q3穩(wěn)定導(dǎo)通）。

負(fù)半周的工作過程與正半周期類似，在此不做講解。

三、關(guān)鍵問題分析

1、橋臂ZVS的實(shí)現(xiàn)

?超前橋臂的ZVS實(shí)現(xiàn)

超前橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS比較容易，因?yàn)槠潆娙莩浞烹娺^程由Lr與原邊等效Lf共同完成。由于原邊等效Lf很大，電流Ip近似不變，相當(dāng)于恒流源，所以超前橋臂的并聯(lián)電容能夠迅速充放電，這樣即便在很寬負(fù)載電流下，也能實(shí)現(xiàn)ZVS。

同時(shí)，在PWM控制方法上要保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)的死區(qū)大于2CleadVin/Ip。

?滯后橋臂的ZVS實(shí)現(xiàn)

滯后橋臂ZVS過程中副邊處于短路狀態(tài)，Lf與變壓器原沒有聯(lián)系，只有Lr中的能量用來實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。

但是，由于Lr遠(yuǎn)小于Lf，其儲(chǔ)存的能量有限，所以滯后橋臂的ZVS實(shí)現(xiàn)比較困難。在變換器輕載或諧振電感較小時(shí)，若Lr中的能量無法滿足電容充放電需求，滯后橋臂將無法實(shí)現(xiàn)ZVS。

要實(shí)現(xiàn)滯后橋臂ZVS，必須滿足以下兩個(gè)條件：

?諧振電感儲(chǔ)能大于參與諧振的滯后橋臂的結(jié)電容儲(chǔ)能；

?滯后橋臂開關(guān)的死區(qū)時(shí)間應(yīng)小于或等于四分之一諧振周期(Lr與充放電電容)。

2、副邊占空比丟失

ZVS移相全橋DC/DC變換器在滯后臂開關(guān)管關(guān)斷后會(huì)出現(xiàn)副邊占空比丟失現(xiàn)象。

此時(shí)原邊電流反向，負(fù)載電流進(jìn)入換向階段，原邊電流較小，不能供給負(fù)載電流，導(dǎo)致變壓器副邊兩個(gè)整流管都導(dǎo)通，電壓被二極管鉗位至零電壓。

這個(gè)時(shí)間段內(nèi)會(huì)出現(xiàn)部分電壓方波的丟失，如圖所示,Dloss=D-Deff。

影響占空比丟失的因素包括諧振電感、負(fù)載電流、變壓器變比和輸入電壓。

增大諧振電感會(huì)加劇占空比丟失，但減小諧振電感不利于滯后臂開關(guān)管的ZVS過程，因此需要選擇合適的Lr。

此外，減小變壓器變比也可減少占空比丟失，但會(huì)增大開關(guān)管通態(tài)損耗以及副邊整流二極管的耐壓。

3、變壓器磁芯飽和

在電路中，Q1、Q4導(dǎo)通時(shí)間不可能與Q2、Q3完全相同，其通態(tài)壓降也可能存在差異，所以變壓器原邊的電壓不是一個(gè)純粹的交流電壓，它含有直流成分，這會(huì)導(dǎo)致變壓器磁芯偏磁。

偏磁的積累將導(dǎo)致變壓器磁飽和，使變壓器不能正常工作，甚至造成元器件損壞。

在設(shè)計(jì)變壓器原邊電路時(shí)，在諧振電感后串接隔直電容可以防止變壓器磁飽和。該電容能夠自動(dòng)消除正、反兩個(gè)方向伏秒面積的不同，使變壓器上只有交流電壓分量，抑制直流分量。

選擇電容時(shí)，建議其電壓降約為變壓器兩端電壓的10％。

4、副邊整流二極管電壓振蕩

原邊電流換向結(jié)束后，電源開始給負(fù)載供電，輸出整流二極管反向恢復(fù)。此時(shí)，變壓器漏感、整流二極管結(jié)電容以及變壓器繞組電容之間會(huì)發(fā)生高頻諧振。

在整流管結(jié)電容充放電過程中，會(huì)出現(xiàn)寄生振蕩，導(dǎo)致整流管的電壓應(yīng)力增加，縮短元件壽命，造成嚴(yán)重的電磁干擾。

為了減小副邊寄生振蕩，可以使用開關(guān)速度快、超快恢復(fù)、柔性系數(shù)大的二極管，或增加一些緩沖網(wǎng)絡(luò)（如RC、RCD吸收網(wǎng)絡(luò)）。

目前應(yīng)用比較多的方法是在原邊增加二極管鉗位緩沖電路，它能抑制整流橋寄生振蕩，減小二極管兩端承受的尖峰電壓。

基于移相全橋電路開發(fā)的隔離型DC-DC電源在電力系統(tǒng)、工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)、汽車電子裝置、化工電解電鍍、冶金、船舶以及軍工等領(lǐng)域均有應(yīng)用。

審核編輯：黃飛

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