有限雙極性控制方式

圖1有限雙極性控制的全橋電路

有限雙極性控制的全橋電路如圖1所示，其中，超前臂MOS管Q1、Q3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈寬可調(diào)（PWM控制）；滯后臂MOS管Q2、Q4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈寬不可調(diào)，為固定50％占空比。C1～C4分別為Q1～Q4的外并電容（含Q1～Q4的寄生電容），假設(shè)容值都為C。開關(guān)管Q1、Q4和Q2、Q3保持相同的開通時(shí)刻，每個(gè)橋臂的兩個(gè)MOS管成180°互補(bǔ)導(dǎo)通，為了避免同一橋臂上下管同時(shí)導(dǎo)通，上下管需設(shè)置一個(gè)固定的死區(qū)時(shí)間。通過調(diào)節(jié)Q1、Q3驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈寬可以調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖2 有限雙極性控制時(shí)主要波形

在半個(gè)工作周期內(nèi)，有限雙極性控制的全橋變換器有6個(gè)工作過程，電路的主要波形如圖2所示。

① 開關(guān)模態(tài)1[t0~t1]：t0時(shí)刻，Q2管關(guān)斷（由于C2的存在，Q2管為零電壓關(guān)斷），諧振電感電流為反向電流，流過Q1的體二極管D1，為Q1管的ZVS導(dǎo)通創(chuàng)造了條件。此時(shí)C4開始放電，C2開始充電，d點(diǎn)電位開始下降，Uad電位開始上升。假設(shè)此時(shí)的諧振電流恒定，則d點(diǎn)電位完全到零的時(shí)間為：

t01=2CUin/ip1 （1）

由于此時(shí)諧振電感與勵(lì)磁電感串聯(lián)諧振，諧振電流和勵(lì)磁電流開始正向增加，諧振電感電壓和變壓器原邊電壓都從零開始正向增加，此時(shí)諧振電容開始負(fù)向增加。

滯后橋臂要實(shí)現(xiàn)ZVS的條件：滯后橋臂（Q2、Q4）的死區(qū)間隔時(shí)間大于Q2、Q4管結(jié)電容的充放電時(shí)間。

輕載時(shí)，由于ip1很小，造成了t01很大，當(dāng)充放電時(shí)間t01大于死區(qū)td時(shí)，Q4管ZVS導(dǎo)通失敗。

② 開關(guān)模態(tài)2[t1~t2]：t1時(shí)刻，當(dāng)C4完全放電后（即d點(diǎn)的電位下降到零時(shí)），Uad電壓被箝位為母線電壓。由于諧振電流仍為負(fù)向，Q4管的體二極管D4開始流過電流。此時(shí)諧振電流開始大于勵(lì)磁電流，DR2導(dǎo)通，原邊變壓器電壓被箝位在nVo，原邊開始向副邊傳能。

③ 開關(guān)模態(tài)3[t2~t3]：t2時(shí)刻，Q1，Q4管導(dǎo)通。考慮到之前D1和D4管都在負(fù)向流過電流，此時(shí)開關(guān)管Q1和Q4為ZVS導(dǎo)通（輕載時(shí)Q4可能為非ZVS導(dǎo)通）。輸入電壓通過LrCr諧振環(huán)節(jié)向負(fù)載傳遞能量，此時(shí)由于DR2導(dǎo)通，勵(lì)磁電流im繼續(xù)線性上升，并且過零反向繼續(xù)上升；

Vm＝nVo＝Lmdi/dt

諧振電流ir流經(jīng)Q1、Lr、Cr 、變壓器原邊和Q4，以正弦形式諧振。流經(jīng)DR2的電流折算到原邊為諧振電流和勵(lì)磁電流之差。由于開關(guān)頻率（250KHz）fs>fr（117KHz），諧振電流會(huì)一直增加。

④ 開關(guān)模態(tài)4[t3~t4]：t3時(shí)刻，Q1管關(guān)斷，Q4管保持導(dǎo)通。由于C1的存在，Q1的關(guān)斷為零電壓關(guān)斷。C1開始充電，C3開始放電，此時(shí)a點(diǎn)的電位開始下降。假設(shè)此時(shí)的諧振電流恒定，則a點(diǎn)電位完全到零的時(shí)間為：

t34=2CUin/ip2 （2）

同樣輕載時(shí)，由于ip2>ip1，使得相同電容條件下，t34 >t01。由于C3只需要在Q3開關(guān)管導(dǎo)通前放完電，放電的時(shí)間較長(zhǎng)，可以很容易實(shí)現(xiàn)Q3管的ZVS導(dǎo)通。由于此時(shí)變壓器原邊電壓被箝位，諧振電感上的電壓VLr會(huì)隨著C3的電壓減小而減小，使得諧振電感上電壓為負(fù)，諧振電流開始減小。

超前臂要實(shí)現(xiàn)ZVS的條件為：超前橋臂（Q1、Q3）的導(dǎo)通與關(guān)斷信號(hào)之間的間隔大于Q1、Q3管結(jié)電容的充放電時(shí)間。

這里若采用移相控制方法，由于死區(qū)td是固定的，當(dāng)負(fù)載電流小于某個(gè)值時(shí)，C1，C3的充放電時(shí)間將會(huì)大于超前臂的死區(qū)時(shí)間，使得Q3的ZVS導(dǎo)通失敗。而采用雙極性控制方式，當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)，輸出的電壓隨之增大，閉環(huán)控制使得超前臂Q1、Q3的導(dǎo)通脈寬變小，相當(dāng)于增大了Q1、Q3從關(guān)斷到導(dǎo)通之間的時(shí)間間隔，從而使電容C1、C3有足夠的時(shí)間來充放電。當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，雖然Q1、Q3的導(dǎo)通脈寬增大，Q1、Q3從關(guān)斷到導(dǎo)通之間的時(shí)間間隔減小了，但電容C1、C3充放電時(shí)間也大大加快了。

有限雙極性控制與相對(duì)移相控制方式相比，超前臂開關(guān)管可以在更大負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS導(dǎo)通。

⑤ 開關(guān)模態(tài)5[t4~t5]：t4時(shí)刻，a點(diǎn)電位為零，開關(guān)管的體二極管D3開始續(xù)流。由于DR2一直導(dǎo)通，變壓器原邊電壓被箝位，諧振電流ir流經(jīng)D3、Lr、Cr 、變壓器原邊和Q4，以正弦形式諧振。直到諧振電流與勵(lì)次電流相等。

⑥ 開關(guān)模態(tài)6[t5~t6]：t5時(shí)刻，諧振電流與勵(lì)磁電流相等，整流二極管DR2零電流關(guān)斷，輸出側(cè)與原邊諧振回路完全脫離。勵(lì)磁電感上的電壓不再受輸出電壓控制，Lm與Lr串聯(lián)參與諧振。由于Lm>>Lr，諧振周期變長(zhǎng)，可認(rèn)為諧振電流基本保持不變。t6時(shí)刻，Q4管關(guān)斷，與t0時(shí)刻Q2關(guān)斷后工作原理相近似。

42V/10A

53.5V/10A

圖3 iLr、Vgs4、Vgs2和Vds2波形

42V/10A

圖4 ids2、Vgs2、Vds2和Vgs4波形

PWM控制方式分析：

雙極性控制的全橋電路如圖3所示，其中，Q1～Q4為功率MOS管，D1～D4分別為Q1～Q4的體二極管，C1～C4分別為并聯(lián)在Q1～Q4管兩端外并電容（含Q1～Q4的寄生電容）。每個(gè)橋臂的兩個(gè)MOS管成180°互補(bǔ)導(dǎo)通，為了避免同一橋臂上下管同時(shí)導(dǎo)通，上下管需設(shè)置一個(gè)固定的死區(qū)時(shí)間。通過調(diào)節(jié)Q1、Q3和Q2、Q4驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈寬可以調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖3 PWM控制的全橋電路

圖4 PWM控制時(shí)主要波形

在半個(gè)工作周期內(nèi)，有限雙極性控制的全橋變換器有6個(gè)工作過程，電路的主要波形如圖2所示。

電路的工作過程如下：

① 開關(guān)模態(tài)1[t0~t1]：t0時(shí)刻，Q2管關(guān)斷（由于C2的存在，Q2管為零電壓關(guān)斷），諧振電感電流為反向電流。由于此時(shí)a點(diǎn)電位為零，d點(diǎn)電位為Vbus，反向的諧振電流不會(huì)流過體二極管D1和D4。此時(shí)DR1仍輸出電流，變壓器原邊被箝位在nVo，勵(lì)磁電流繼續(xù)減小。諧振電感Lr與電容C1～C4開始諧振，C1，C4開始放電，C2，C3開始充電，即a點(diǎn)電位開始上升，d點(diǎn)電位開始下降。由于變壓器原邊電流被箝位，使得諧振電感電壓急劇正向增加，諧振電流負(fù)向急劇減小（諧振電流正向增加）。

② 開關(guān)模態(tài)2[t1~t2]：t1時(shí)刻，當(dāng)諧振電流與勵(lì)磁電流相等時(shí)，DR1零電流關(guān)斷，輸出側(cè)與原邊諧振回路完全脫離。此時(shí)a點(diǎn)電位上升到Vbus，d點(diǎn)電壓下降到零，體二極管D1和D4開始導(dǎo)通。D1、Lr，Cr，Lm和D4開始諧振。由于Uad電壓箝位在Vbus，變壓器原邊電壓開始從負(fù)壓開始正向增加，諧振電感電壓從正壓開始下降。在變壓器原邊電壓到零之前，勵(lì)磁電流仍在負(fù)向增加，直到原邊變壓器電壓為正后，勵(lì)次電流才開始正向增加。而諧振電感電流則開始向正向增加。

③ 開關(guān)模態(tài)3[t2~t3]：t2時(shí)刻，當(dāng)諧振電感電壓下降到等于變壓器原邊電壓時(shí)，DR2開始流過電流。由于變壓器原邊電壓箝位在nVo，勵(lì)磁電流開始線性增加。諧振電感與諧振電容開始諧振，諧振電容電壓下降，諧振電感電壓增加，使得諧振電感電流上升斜率大于勵(lì)磁電流上升斜率，輸出電流在一直增加。

④ 開關(guān)模態(tài)4[t3~t4]：t3時(shí)刻，當(dāng)諧振電流負(fù)向減小到接近于零時(shí)，諧振電流開始向C1、C4充電，C2、C3開始放電，a點(diǎn)電位開始下降，d點(diǎn)電位開始上升。到t4時(shí)刻，諧振電流完全為零后，C1～C4充放電結(jié)束。

⑤ 開關(guān)模態(tài)5[t4~t5]：t4時(shí)刻，當(dāng)諧振電流完全為零后，C1～C4充放電結(jié)束時(shí)，副邊DR2流過的電流完全靠勵(lì)磁電流提供。

⑥ 開關(guān)模態(tài)6[t5~t6]：t5時(shí)刻，當(dāng)勵(lì)磁電感電流等于諧振電流（都為零）時(shí)，DR2零電流關(guān)斷，輸出側(cè)與原邊諧振回路完全脫離。此時(shí)，C1～C4與Lm、Cr和Lr繼續(xù)諧振，使得a電電位繼續(xù)下降，d點(diǎn)電位繼續(xù)增加，直到t6時(shí)刻Q1、Q4管導(dǎo)通。

⑦ 開關(guān)模態(tài)7[t6~t7]：t6時(shí)刻，開關(guān)管Q1、Q4硬開關(guān)導(dǎo)通。當(dāng)此后，C1充電到母線電壓，C4放電到零后，諧振電流和勵(lì)磁電流開始增加。

⑧ 開關(guān)模態(tài)8[t7~t8]：t7時(shí)刻，諧振電流開始大于勵(lì)磁電流，DR1開始導(dǎo)通，諧振電感和諧振電容開始諧振，變壓器原邊開始向副邊傳能，直到t8時(shí)刻Q1關(guān)斷。

從上面的分析可以看出：PWM控制時(shí)，輕載容易出現(xiàn)不可控的諧振傳能的區(qū)間（t2~t5），當(dāng)從調(diào)頻態(tài)切換到調(diào)頻調(diào)寬態(tài)后，易出現(xiàn)諧振傳能的區(qū)間，使得電壓增益出現(xiàn)跳變。

同樣，PWM態(tài)下要實(shí)現(xiàn)Q1、Q4管的ZVS導(dǎo)通，需要在諧振電感電流正向到零之前將Q1、Q4導(dǎo)通，這樣占空比較小時(shí)，就無法實(shí)現(xiàn)Q1、Q4管的ZVS導(dǎo)通。

移相控制方式

圖1移相控制的全橋電路

移相控制的主要波形

移相控制的全橋電路如圖1所示，其中，超前臂MOS管Q1、Q3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈寬可調(diào)（PWM控制）；滯后臂MOS管Q2、Q4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈寬不可調(diào)，為固定50％占空比。C1～C4分別為Q1～Q4的外并電容（含Q1～Q4的寄生電容），假設(shè)容值都為C。每個(gè)橋臂的兩個(gè)MOS管成180°互補(bǔ)導(dǎo)通，為了避免同一橋臂上下管同時(shí)導(dǎo)通，上下管需設(shè)置一個(gè)固定的死區(qū)時(shí)間。通過調(diào)節(jié)Q1、Q3驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈寬可以調(diào)節(jié)輸出電壓。

三種發(fā)波方式對(duì)比：