移相全橋拓?fù)湓矸治?移相全橋與LLC的區(qū)別

移相全橋拓?fù)渥鳛橐环N在電力電子領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的電路結(jié)構(gòu)，其工作原理和特性對(duì)于深入理解DC-DC變換器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化至關(guān)重要。

一、基本原理

移相全橋拓?fù)涫且环N基于移相控制策略的DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它利用功率器件的結(jié)電容和諧振電感的諧振，實(shí)現(xiàn)恒頻軟開(kāi)關(guān)操作，從而有效降低開(kāi)關(guān)損耗，提高轉(zhuǎn)換效率，減小裝置體積。移相全橋拓?fù)渲饕ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)對(duì)角兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通相位差（即移相角）來(lái)控制輸出電壓，具有控制簡(jiǎn)單、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

二、電路結(jié)構(gòu)

移相全橋拓?fù)涞幕倦娐钒ㄔ吶珮螂娐?、變壓器和副邊整流電路。原邊全橋電路由四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管（Q1-Q4）組成，通過(guò)輸入直流源Vin供電，并包含輸入電容Cin和諧振電感Lr。副邊電路則根據(jù)應(yīng)用需求選擇全波整流電路或全橋整流電路，通常包含整流二極管（DR1~DR4）、濾波電感Lf、濾波電容Cf以及負(fù)載Rd。

1. 原邊全橋電路

原邊全橋電路由四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管（Q1-Q4）構(gòu)成，它們按照Q1、Q4、Q2、Q3的順序依次導(dǎo)通和關(guān)斷，形成超前橋臂（Q1、Q2）和滯后橋臂（Q3、Q4）。每個(gè)開(kāi)關(guān)管都有其體二極管（D1-D4）和寄生結(jié)電容（C1~C4）。為抑制變壓器磁飽和，部分電路會(huì)在諧振電感Lr后串聯(lián)隔直電容。

2. 變壓器

變壓器是移相全橋拓?fù)渲械年P(guān)鍵元件，用于實(shí)現(xiàn)原邊和副邊之間的電壓和電流變換。其原邊與副邊的匝比決定了電壓的變換比，同時(shí)也會(huì)影響電路的工作特性和效率。

3. 副邊整流電路

副邊整流電路根據(jù)應(yīng)用需求可選擇全波整流或全橋整流。全橋整流適用于大功率場(chǎng)合，而小功率場(chǎng)合則可采用全波整流。整流二極管（DR1~DR4）將變壓器副邊的高頻交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，并通過(guò)濾波電感Lf和濾波電容Cf進(jìn)行平滑處理，供給負(fù)載Rd。
移相全橋與LLC的區(qū)別

移相全橋，顧名思義，首先它的硬件拓?fù)涫且粋€(gè)全橋結(jié)構(gòu)，而“移相”的意思是控制方式采用移相方式。我們知道PWM和PFM的控制原理，那么“移相”控制的控制原理是什么呢？

UCC2895是經(jīng)典的移相全橋控制芯片，圖1是它datasheet中的時(shí)序圖。CLOCK是芯片的時(shí)鐘，決定了芯片工作頻率；RAMP與環(huán)路輸出的COMP信號(hào)做比較，決定移相角度大小PWM SIGNGAL，PWM SIGNAL占空比為0時(shí)，移相角度為180°，占空比為100%時(shí)，移相角度為0。

圖1

圖2是驅(qū)動(dòng)的信號(hào)的接對(duì)應(yīng)MOS管的驅(qū)動(dòng)方法。在PWM驅(qū)動(dòng)方式控制中，一般是直接控制對(duì)管的Q1/Q4、Q2/Q3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比大小。而在移相方式中，不直接改變單個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)占空比，而是保持每個(gè)開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)占空比為50%，通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位的方式來(lái)改變對(duì)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)間，從而調(diào)節(jié)輸出。所以實(shí)際上“移相”也是一種特殊PWM控制方式。

圖1中，OUTPUTA/OUTPUTB相位超前于OUTPUTC/OUTPUTD，所以我們稱(chēng)圖2中的Q1和Q2為超前橋臂，Q3和Q4為滯后橋臂。超前橋臂比滯后橋臂更容易實(shí)現(xiàn)ZVS，這是為什么呢，后面將會(huì)作出解釋。

圖2

圖3

圖3展示了移相全橋工作的實(shí)現(xiàn)波形圖，其中Ip為諧振腔的電流，Vrect為變壓器副邊電壓，其值等于VIN/N，N為變壓器匝比。Vrect波形的陰影部分是丟失的波形，即在實(shí)際中這部分時(shí)間沒(méi)有能量傳遞到輸出，相當(dāng)于這部分MOS管的占空比被間接丟失了，導(dǎo)致有效占空比變小，這在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮補(bǔ)償占空比。

三、工作模態(tài)

移相全橋電路的一個(gè)周期中包含多個(gè)工作模態(tài)，下面以半個(gè)周期為例進(jìn)行詳細(xì)分析（假設(shè)副邊為全波整流電路）。

1. 初始狀態(tài)（t0時(shí)刻）

在t0時(shí)刻，Q1和Q4導(dǎo)通，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。

2. Q1關(guān)斷（t1時(shí)刻）

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實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。

3. C1與C2充放電結(jié)束（t2時(shí)刻）

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(kāi)關(guān)管Q2漏源極的電壓箝位為0，此時(shí)Q2實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。此時(shí)VAB為0，原邊電流Ip仍按原方向繼續(xù)流動(dòng)，但不斷減小。

4. Q4關(guān)斷（t3時(shí)刻）

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C3和C4的作用，Q4實(shí)現(xiàn)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。

5. C3與C4充放電結(jié)束（t4時(shí)刻）

t4時(shí)刻C3與C4充放電結(jié)束。此時(shí)C4兩端電壓為0，電流經(jīng)D3續(xù)流，并將開(kāi)關(guān)管Q3漏源極的電壓箝位為0，此時(shí)Q3實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。此時(shí)，VAB保持為負(fù)值，但大小由-VC4逐漸過(guò)渡到-Vin，因?yàn)镼3和D3共同導(dǎo)電，原邊電流Ip開(kāi)始反向增加。

6. Q2關(guān)斷（t5時(shí)刻）

在t5時(shí)刻，Q2關(guān)斷。由于諧振電感Lr和開(kāi)關(guān)管寄生電容的存在，Ip不會(huì)立即改變方向，而是繼續(xù)通過(guò)D3和Q3流通，并對(duì)C2進(jìn)行充電，同時(shí)對(duì)C1進(jìn)行放電。這個(gè)過(guò)程中，C1和C2與Lr再次發(fā)生諧振，使得Q2在零電壓下關(guān)斷。此時(shí)，VAB仍為負(fù)值，但絕對(duì)值逐漸減小。

7. C1與C2充放電結(jié)束（t6時(shí)刻）

當(dāng)C1和C2的充放電過(guò)程在t6時(shí)刻結(jié)束時(shí)，C1兩端的電壓達(dá)到Vin，C2兩端的電壓降為0。此時(shí)，Q1的體二極管D1開(kāi)始導(dǎo)通，將Q1的漏源極電壓箝位為0，為Q1的下一次零電壓開(kāi)通做好準(zhǔn)備。此時(shí)，原邊電流Ip已經(jīng)反向，并且繼續(xù)通過(guò)D3和Q3流通。

8. Q3關(guān)斷（t7時(shí)刻）

在t7時(shí)刻，Q3關(guān)斷。同樣地，由于諧振電感Lr和寄生電容的作用，Ip不會(huì)突變，而是繼續(xù)通過(guò)D1、Lr和D3流通，并對(duì)C3進(jìn)行充電，同時(shí)對(duì)C4進(jìn)行放電。這個(gè)過(guò)程中，C3和C4與Lr發(fā)生諧振，使得Q3在零電壓下關(guān)斷。此時(shí)，VAB開(kāi)始從負(fù)值逐漸增加到0，并最終變?yōu)檎怠?/p>

9. C3與C4充放電結(jié)束（t8時(shí)刻）

當(dāng)C3和C4的充放電過(guò)程在t8時(shí)刻結(jié)束時(shí)，C4兩端的電壓達(dá)到Vin，C3兩端的電壓降為0。此時(shí)，Q4的體二極管D4開(kāi)始導(dǎo)通，將Q4的漏源極電壓箝位為0，為Q4的下一次零電壓開(kāi)通做好準(zhǔn)備。至此，一個(gè)完整的半周期結(jié)束，電路進(jìn)入下一個(gè)半周期的工作模態(tài)，但工作過(guò)程與上述相反。

四、關(guān)鍵問(wèn)題分析

1. 軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)條件

移相全橋拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵在于諧振電感Lr、開(kāi)關(guān)管寄生電容以及移相角的合理設(shè)計(jì)。只有當(dāng)諧振電感Lr的感值與開(kāi)關(guān)管寄生電容的容值相匹配，且移相角設(shè)置得當(dāng)，才能確保開(kāi)關(guān)管在零電壓或零電流條件下開(kāi)通或關(guān)斷。

2. 變壓器磁飽和問(wèn)題

由于移相全橋拓?fù)渲凶儔浩髟呺娏鞔嬖谥绷鞣至?，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行可能導(dǎo)致變壓器磁芯飽和。為了防止磁飽和，通常在諧振電感Lr后串聯(lián)隔直電容，以濾除電流中的直流分量。

3. 環(huán)流問(wèn)題

在移相全橋拓?fù)渲校?dāng)兩個(gè)對(duì)角開(kāi)關(guān)管同時(shí)關(guān)斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的環(huán)流。環(huán)流不僅增加了開(kāi)關(guān)損耗，還可能對(duì)電路的穩(wěn)定性造成影響。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需要合理控制移相角，以減小環(huán)流的大小。

4. 負(fù)載適應(yīng)性

移相全橋拓?fù)涞呢?fù)載適應(yīng)性較強(qiáng)，但在輕載或空載情況下，由于諧振電感Lr中的能量無(wú)法完全傳遞到負(fù)載，可能導(dǎo)致電路效率下降。此時(shí)，需要采取適當(dāng)?shù)目刂撇呗詠?lái)優(yōu)化電路性能。移相全橋拓?fù)渥鳛橐环N高效、可靠的DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在電力電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。