移相全橋簡(jiǎn)介

移相全橋（Phase-ShiftingFull-BridgeConverter，簡(jiǎn)稱PSFB），利用功率器件的結(jié)電容與變壓器的漏感作為諧振元件，使全橋電源的4個(gè)開(kāi)關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通（ZerovoltageSwitching，簡(jiǎn)稱ZVS），來(lái)實(shí)現(xiàn)恒頻軟開(kāi)關(guān)，提升電源的整體效率與EMI性能，當(dāng)然還可以提高電源的功率密度。

上圖是移相全橋的拓?fù)鋱D，各個(gè)元件的意義如下：

Vin：輸入的直流電源

T1-T4：4個(gè)主開(kāi)關(guān)管，一般是MOSFET或IGBT

T1，T2稱為超前臂開(kāi)關(guān)管，T3，T4稱為滯后臂開(kāi)關(guān)管

C1-C4：4個(gè)開(kāi)關(guān)管的寄生電容或外加諧振電容

D1-D4：4個(gè)開(kāi)關(guān)管的寄生二極管或外加續(xù)流二極管

VD1，VD2：電源次級(jí)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(jí)輸出續(xù)流電感

Cf：移相全橋電源次級(jí)輸出電容

RL：移相全橋電源次級(jí)負(fù)載

移相全橋工作模態(tài)

因?yàn)槭亲隼碚摲治觯砸獙⒁恍┢骷奶匦岳硐牖唧w如下：

1、假設(shè)所有的開(kāi)關(guān)管為理想元件，開(kāi)通與關(guān)斷不存在延遲，導(dǎo)通電阻無(wú)窮小；開(kāi)關(guān)管的體二極管或者外部的二極管也為理想元件，其開(kāi)通與關(guān)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(shù)，變壓器也為理想變壓器，不存在漏感與分布參數(shù)的影響，勵(lì)磁電感無(wú)窮大，勵(lì)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(jí)續(xù)流電感通過(guò)匝比折算到初級(jí)的電感量LS`遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于諧振電感的感量Lr即LS=Lr*n2》Lr。

PSFB一個(gè)周期可以分為12中工作模態(tài)，其中正負(fù)半周期是對(duì)應(yīng)的關(guān)系，只不過(guò)改變的是電流在橋臂上的流向，下面我們首先來(lái)分析這12個(gè)工作模態(tài)的情況，揭開(kāi)移相全橋的神秘面紗。

工作模態(tài)一：正半周期功率輸出過(guò)程

如上圖，此時(shí)T1與T4同時(shí)導(dǎo)通，T2與T3同時(shí)關(guān)斷，原邊電流的流向是T1—Lp—Lk—T4，如圖所示。

此時(shí)的輸入電壓幾乎全部降落在圖中的A，B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(lái)的電感LS`（因?yàn)榇藭r(shí)次級(jí)二極管VD1是導(dǎo)通的），即LS`=n2*Lf，由于是按照匝比平方折算回來(lái)，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）*（t1-t0）/（LkLS`）

Vin-n*UO是諧振電感兩端的電壓，就是用輸入電壓減去次級(jí)反射回來(lái)的電壓。

此過(guò)程中，根據(jù)變壓器的同名端關(guān)系，次級(jí)二極管VD1導(dǎo)通，VD2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。（圖中未畫(huà)出）

此時(shí)，UC2=UC3=UA=UAB=VinUB=0V

工作模態(tài)二：超前臂諧振過(guò)程

如上圖，此時(shí)超前橋臂上管T1在t1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(lái)的方向，故電流被轉(zhuǎn)移到C1與C2中，C1被充電，電壓很快會(huì)上升到輸入電壓Vin，而C2開(kāi)始放電，電壓很快就下降到0，即將A點(diǎn)的電位鉗位到0V。

由于次級(jí)折算過(guò)來(lái)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。

C1兩端的電壓由下式給出

Vc1=Ip*（t2-t1）/（C1C3）=Ip*（t2-t1）/2Clead

C2兩端的電壓由下式給出

Vc1=Vin-【Ip*（t2-t1）/2Clead】

其中Ip是在模態(tài)2流過(guò)原邊電感的電流，在T2時(shí)刻C1上的電壓很快上升到Vin，C2上的電壓很快變成0V，D2開(kāi)始導(dǎo)通。

在t2時(shí)刻之前，C1充滿電，C2放完電，即VC1=VC3=VinVC2=VA=VB=0V

模態(tài)2的時(shí)間為△t=t2-t1=2Clead*Vin/Ip

工作模態(tài)三：原邊電流正半周期鉗位續(xù)流過(guò)程

如上圖，此時(shí)二極管D2已經(jīng)完全導(dǎo)通續(xù)流，將超前臂下管T2兩端的電壓鉗位到0V，此時(shí)將T2打開(kāi)，就實(shí)現(xiàn)了超前臂下管T2的ZVS開(kāi)通；但此時(shí)的原邊電流仍然是從D2走，而不是T2。

此時(shí)流過(guò)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)電流的下降速度跟電感量有關(guān)。

從超前臂T1關(guān)斷到T2打開(kāi)這段時(shí)間td，稱為超前臂死區(qū)時(shí)間，為保證滿足T2的ZVS開(kāi)通條件，就必須讓C3放電到0V，即

td≥△t=t2-t1=2Clead*Vin/Ip

此時(shí)，UC1=UC3=Vin，UA=UB=UAB=0V

工作模態(tài)四：正半周期滯后臂諧振過(guò)程

如圖所示：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(lái)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(méi)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(lái)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(guò)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(shuō)這個(gè)時(shí)候原邊繞組的電壓已經(jīng)開(kāi)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(kāi)始導(dǎo)通并流過(guò)電流；而由于LS1與Lf的關(guān)系，流過(guò)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(guò)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(shuō)會(huì)導(dǎo)致原邊參加諧振的電感量由原來(lái)的（Lf*n2Lr）迅速減少到只剩Lr，由于Lr比（Lf*n2Lr）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(kāi)關(guān)模態(tài)五：諧振結(jié)束，原邊電感向電網(wǎng)饋能

如圖所示，當(dāng)C4充電到Vin之后，諧振結(jié)束，就不再有電流流過(guò)C3，C4，轉(zhuǎn)而D3自然導(dǎo)通，原邊電流通過(guò)D2—Lr—D3向電網(wǎng)饋能，其實(shí)能量來(lái)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(kāi)啟，那么T3就達(dá)到了零電壓開(kāi)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(kāi)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(kāi)通之前，次級(jí)電感通過(guò)匝比反射回來(lái)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(kāi)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(kāi)通到滯后臂下管的開(kāi)通的時(shí)間間隔或超前臂下管開(kāi)通到滯后臂上管的開(kāi)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(kāi)關(guān)模態(tài)5來(lái)說(shuō)，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(méi)有次級(jí)電感通過(guò)匝比反射回來(lái)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(kāi)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(méi)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)程，通過(guò)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(guò)VD1的電流減少到0，通過(guò)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(kāi)始負(fù)半周期工作，其工作原理與正半周期相似，下面來(lái)做進(jìn)一步的分析：

開(kāi)關(guān)模態(tài)七：負(fù)半周期功率輸出過(guò)程

如上圖，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(lái)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(lái)，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）/（LkLS`）】

此過(guò)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。（圖中未畫(huà)出）

此時(shí)，UC1=UC4=UB=VinUAB=-VinUA=0V

開(kāi)關(guān)模態(tài)八：負(fù)半周期超前臂諧振過(guò)程

如上圖，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(lái)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(guò)來(lái)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）/（C1C2）=Ip*（t8-t7）/2Clead

C1兩端的電壓由下式給出

Vc1=Vin-【︱-Ip︱*（t8-t7）/2Clead】

其中Ip是在模態(tài)8流過(guò)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(kāi)始導(dǎo)通。

在t8時(shí)刻之前，C2充滿電，C1放完電，即VC2=VC4=VA=VB=VinVC1=VAB=0V

模態(tài)8的時(shí)間為

△t=t8-t7=2Clead*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(guò)程

開(kāi)關(guān)模態(tài)九：原邊電流負(fù)半周期鉗位續(xù)流過(guò)程

如上圖，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(kāi)，就實(shí)現(xiàn)了超前臂上管T1的ZVS開(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)通條件，就必須讓C1放電到0V，即

td≥△t=t9-t8=2Clead*Vin/Ip

此時(shí)，UC2=UC4=UA=UB=Vin，UAB=0V

開(kāi)關(guān)模態(tài)十：負(fù)半周期滯后臂諧振過(guò)程

如圖所示：在T9時(shí)刻將滯后臂上管T3關(guān)斷，在T3關(guān)斷前，C3兩端的電壓為0，所以T3屬于零電壓關(guān)斷。

由于T3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(lái)的方向，以一定的速率減少。所以，原邊電流ip會(huì)對(duì)C3充電，使C3兩端的電壓慢慢往上升，同時(shí)C4開(kāi)始放電。即ip（t）=-I2sinω（t-t9）

vc3（t）=Zp*︱-I2︱sinω（t-t9）

vc4（t）=Vin-Zp*︱-I2︱sinω（t-t9）

其中，-I2：t9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

同理，原邊的諧振電感Lr與滯后臂的兩個(gè)電容C3，C4諧振，其電壓與電流的關(guān)系就是正弦關(guān)系。

同開(kāi)關(guān)模態(tài)四分析一樣的道理，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)上正下負(fù)的關(guān)系，此時(shí)VD1開(kāi)始導(dǎo)通并流過(guò)電流；而由于LS2與Lf的關(guān)系，流過(guò)LS2與VD2的電流不能馬上減少到0，只能慢慢的減少；而且通過(guò)VD1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(shuō)會(huì)導(dǎo)致原邊參加諧振的電感量由原來(lái)的（Lf*n2Lr）迅速減少到只剩Lr，由于Lr比（Lf*n2Lr）小很多，所以原邊電流會(huì)迅速減少。

在t10時(shí)刻，原邊的UAB=ULr=Vin，UB=UC4=0V，UA=UC2=UC3=Vin

開(kāi)關(guān)模態(tài)十一：諧振結(jié)束，原邊電感向電網(wǎng)饋能

如圖所示，當(dāng)C3充電到Vin之后，諧振結(jié)束，就不再有電流流過(guò)C3，C4，轉(zhuǎn)而D4自然導(dǎo)通，原邊電流通過(guò)D4—Lr—D1向電網(wǎng)饋能，其能量來(lái)源于儲(chǔ)存在Lr中的能量，此時(shí)原邊電流迅速減少，

ip（t）=-【Ip10-（t-t10）】

其中Ip10是t10時(shí)刻的原邊電流值

在t11時(shí)刻減少到0。

此時(shí)T4兩端的電壓降為0V，只要在這個(gè)時(shí)間將T4開(kāi)啟，那么T4就達(dá)到了零電壓開(kāi)啟的效果。

對(duì)于開(kāi)關(guān)模態(tài)11來(lái)說(shuō)，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(méi)有次級(jí)電感通過(guò)匝比反射回來(lái)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t11時(shí)刻，UAB=ULr=UC3=UA=Vin，UB=0V

開(kāi)關(guān)模態(tài)十二：原邊電流從0正向增大

如圖所示，在t11時(shí)刻之前，T4已經(jīng)導(dǎo)通，在t11時(shí)刻原邊電流ip已經(jīng)上升到0，由于沒(méi)有了電流，所以D1，D4自然關(guān)斷。

在t11-t12的時(shí)間內(nèi)，副邊的二極管D1，D2還是同時(shí)導(dǎo)通流過(guò)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T1，T4已經(jīng)導(dǎo)通，原邊電流ip流過(guò)T1--Lr—T4，又因?yàn)長(zhǎng)r很小，所以原邊電流ip就會(huì)正向急劇增大。

即ip（t）=-（t-t11）

在t12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（t12）=-ILf（t12）/n

在這個(gè)開(kāi)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(guò)程，通過(guò)副邊二極管VD2的電流迅速減少，VD1的電流迅速增大，在t12時(shí)刻，通過(guò)VD2的電流減少到0，通過(guò)VD1的電流等于電感電流ILf。

在t12時(shí)刻，原邊的UAB=ULr=UA=UC3=Vin，UB=0V

至此，一個(gè)完整的移相全橋工作周期分析已經(jīng)完成。

其中有一些地方可能有點(diǎn)小小錯(cuò)誤（歡迎指正），但不影響總體的工作原理分析12個(gè)工作模態(tài)我先用用圖紙的方式呈現(xiàn)出來(lái)了，為了便于分析，我省略了次級(jí)繞組的回路分析

12個(gè)工作過(guò)程包括：2個(gè)正負(fù)半周期的功率輸出過(guò)程，2個(gè)正負(fù)半周期的鉗位續(xù)流過(guò)程，4個(gè)諧振過(guò)程（包括2個(gè)橋臂的諧振過(guò)程與2個(gè)換流過(guò)程），2個(gè)原邊電感儲(chǔ)能返回電網(wǎng)過(guò)程，最后還有2個(gè)變壓器原邊電流上沖或下沖過(guò)零結(jié)束急變過(guò)程。這12個(gè)過(guò)程就構(gòu)成了移相全橋的一個(gè)完整的工作周期，只要有任何一個(gè)過(guò)程發(fā)生偏離或異常，將會(huì)影響到移相全橋的ZVS效果，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)電源不能正常工作。

移相全橋ZVS變換器的原理與設(shè)計(jì)

1、準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)電源的組成

ZVS準(zhǔn)諧振高頻開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)，它包括主電路、控制電路及CPU通訊和保護(hù)電路，如圖1所示。

從圖1可以看出準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)電源的組成與傳統(tǒng)PWM開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)極其相似，不同的是它在DC/DC變換電路中采用了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，即準(zhǔn)諧振變換器（QRC）。它是在PWM型開(kāi)關(guān)變換器基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)丶由现C振電感和諧振電容而形成的，由于運(yùn)行中，工作在諧振狀態(tài)的時(shí)間只占開(kāi)關(guān)周期的一部分，其余時(shí)間都是運(yùn)行在非諧振狀態(tài)，所以稱為“準(zhǔn)諧振”變換器。準(zhǔn)揩振變換器又分為兩種，一種是零電流開(kāi)關(guān)（ZCS），一種是零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS），零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換器的特點(diǎn)是保證運(yùn)行中的開(kāi)關(guān)管在斷開(kāi)信號(hào)到來(lái)之前，管中電流下降到零。零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振的特點(diǎn)是保證運(yùn)行中的開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通信號(hào)到來(lái)之前，管子兩端的電壓已經(jīng)下降到零。

2、零電壓準(zhǔn)諧振變換器的工作原理

全橋零電壓準(zhǔn)諧振變換器的主電路如圖2所示。Uin為PFC電路輸出的直流電壓（400V），S1～S4為功率開(kāi)關(guān)管，其體二極管為D1～D4，圖中未畫(huà)出其體電容C1～C4，Lr為變壓器T1初級(jí)串聯(lián)諧振電感，（包括變壓器的漏感），C為防止變壓器因偏磁而飽和的隔直電容，T2為電流互感器，用于檢測(cè)。當(dāng)變換器過(guò)流時(shí)，保護(hù)電路切斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保護(hù)功率器件。變壓器次級(jí)電壓經(jīng)過(guò)D5、D6整流和輸出LC濾波器給負(fù)載供電。圖3給出了變壓器初級(jí)電壓UP、次級(jí)電壓US和初級(jí)電流ip的波形圖。ZVS變換器一周期內(nèi)可分為六個(gè)運(yùn)行模式，如表1所示。圖3中設(shè)t《t0時(shí)，變換器工作狀態(tài)為S1和S4導(dǎo)通。

3、占空比分析

由波形圖可見(jiàn)，由于變換器存在漏電感，使初級(jí)電流在t1～t3階段，有一定斜率，因此次級(jí)電壓占空比（t4－t3）/（t4－t0）小于初級(jí)電壓占空比（t4－t1）/（t4－t0），造成占空比損失。開(kāi)關(guān)頻率越高，占空比損失越大。

4、相全橋兩橋臂開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS的條件

由表1和圖3可以看出，S3和S4實(shí)現(xiàn)ZVS分別早于S1、S2，故稱S3、S4為右橋臂又稱超前橋臂，S1、S2為左橋臂又稱滯后臂。由表1可以看出S3、S4實(shí)現(xiàn)ZVS分別在（t0～t1）和（t4～t5），S2、S1實(shí)現(xiàn)ZVS分別在（t2～t3）和（t6～t7）。而（t2～t3）和（t6～t7）時(shí)變壓器初級(jí)電流分別小于（t0～t1）和（t4～t5）時(shí)的初級(jí)電流，故滯后橋臂比超前橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)關(guān)困難，特別是輕載時(shí)最為明顯。

從理論上分析，S1、S2實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)關(guān)時(shí)，變壓器次級(jí)處于續(xù)流階段，諧振時(shí)由諧振電感釋放能量，使諧振電容電壓下降到零，從而實(shí)現(xiàn)ZVS，此時(shí)實(shí)現(xiàn)ZVS條件為：電感能量必須大于所有參與諧振的電容能量。即

LrIp2/2》（4Coss/3＋Cxfmr）×U2in

式中：4Coss/3是考慮MOS管輸出電容非線性等效電容值，Cxfmr是變壓器繞組的分布電容。由上式可見(jiàn)，滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS主要靠諧振電感儲(chǔ)能，輕載時(shí)能量不夠大，因此滯后橋臂不易滿足ZVS條件。

S3、S4實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)關(guān)時(shí)，變壓器處于能量傳遞階段。初級(jí)電流IP=－Io/n（n為變壓器變比），初級(jí)等效電感Le=Lr＋n2LO。所以根據(jù)ZVS條件，電感能量必須大于所有參與諧振的電容能量，應(yīng)有Le（Io/n）2/2》（4Coss/3＋Cxfmr）Uin2。由于Le（Io/n）2/2相當(dāng)大，故即使輕載時(shí)超前橋臂也較容易滿足ZVS條件。

5、移相全橋PWM控制器

移相全橋PWM控制技術(shù)最關(guān)鍵的是器件的導(dǎo)通相位能在0～180°范圍內(nèi)移動(dòng)，若控制不好，特別是左橋臂或右橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，將導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。Unitrode公司生產(chǎn)的UC3875能提供0～100％占空比的控制，并且有必要的保護(hù)、譯碼及驅(qū)動(dòng)功能，有四組驅(qū)動(dòng)輸出，每組的延時(shí)時(shí)間可控制，其控制電路如圖4所示。E/A＋接固定的2.5V電壓（VREF=5V，R5、R9為10kΩ），作電壓給定信號(hào)。E/A－接對(duì)應(yīng)的輸出電壓和EA＋比較，從而控制OUTA～OUTD的相位，最終控制輸出壓。C/S＋接控制信號(hào)（如初級(jí)過(guò)流信號(hào)等），當(dāng)初級(jí)過(guò)流時(shí)，C/S＋大于2.5V，UC3875停止輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而將變換器輸出關(guān)閉，防止了災(zāi)難事故的發(fā)生。驅(qū)動(dòng)信號(hào)由OUTA～OUTD輸出，并經(jīng)TC4420擴(kuò)流，由驅(qū)動(dòng)變壓器去驅(qū)動(dòng)S1～S4MOS管，其延時(shí)時(shí)間由UC3875的7腳、15腳外接電阻確定，實(shí)際的驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序如圖5所示。

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