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工程师分享:基于移相全桥电源电路的学习笔记

作者:时间:2013-12-26来源:网络收藏

在早期的大功率电源(输出功率大于1KW)应用中,硬开关全桥(Full-Bridge)拓扑是应用最为广泛的一种,其特点是开关频率固定,开关管承受的电压与电流应力小,便于控制,特别是适合于低压大电流,以及输出电压与电流变化较大的场合。但受制于开关器件的损耗,无法将开关频率提升以获得更高的功率密度。例如:一个5KW的电源,采用硬开关全桥,即使效率做到92%,那么依然还有400W的损耗,那么每提升一个点的效率,就可以减少50W的损耗,特别在多台并机以及长时间运行的系统中,其经济效益相当可观。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/227236.htm

随后,人们在硬开关全桥的基础上,开发出了一种软开关的全桥拓扑——全桥(Phase-Shifting Full-Bridge Converter,简称PS FB),利用功率器件的结电容与变压器的漏感作为谐振元件,使全桥电源的4个开关管依次在零电压下导通(Zero voltage Switching,简称ZVS),来实现恒频软开关,提升电源的整体效率与EMI性能,当然还可以提高电源的功率密度。

工程师分享:基于移相全桥电源电路的学习笔记

上图是全桥的拓扑图

因为是做理论分析,所以要将一些器件的特性理想化,具体如下:

1、 假设所有的开关管为理想元件,开通与关断不存在延迟,导通电阻无穷小;开关管的体二极管或者外部的二极管也为理想元件,其开通与关断不存在延迟,正向压降为0。

2、 所有的电感,电容都为理想元件,不存在寄生参数,变压器也为理想变压器,不存在漏感与分布参数的影响,励磁电感无穷大,励磁电流可以忽略,谐振电感是外加的。

3、 超前桥臂与滞后的谐振电容都相等,即C1=C2=Clead,C3=C4=Clag。

次级续流电感通过匝比折算到初级的电感量LS远远大于谐振电感的感量Lr,即LS`=Lr*n2》Lr。

PS FB一个周期可以分为12中工作模态,其中正负半周期是对应的关系,只不过改变的是电流在桥臂上的流向,下面我们首先来分析这12个工作模态的情况,揭开全桥的神秘面纱。工程师分享:基于移相全桥电源电路的学习笔记

工作模态一:正半周期功率输出过程

如上图,此时T1与T4同时导通,T2与T3同时关断,原边电流的流向是T1—Lp—Lk—T4,如图所示。

此时的输入电压几乎全部降落在图中的A,B两点上,即UAB=Vin, 此时AB两点的电感量除了图上标示出的Lp与Lk之外,应该还有次级反射回来的电感LS(因为此时次级二极管VD1是导通的),即LS`=n2* Lf,由于是按照匝比平方折算回来,所以LS`会比Lk大很多,导致Ip上升缓慢,上升电流△Ip为△Ip=(Vin-n*Uo)*(t1-t0)/( Lk+ LS`)。

此过程中,根据变压器的同名端关系,次级二极管VD1导通,VD2关断,变压器原边向负载提供能量,同时给输出电感Lf与输出电容Cf储能。

此时, UC2 =UC3=UA=UAB=Vin;UB=0V

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工作模态二:超前臂谐振过程

如上图,此时超前桥臂上管T1在t1时刻关断,但由于电感两端电流不能突变的特性,变压器原边的电流仍然需要维持原来的方向,故电流被转移到C1与C2中,C1被充电,电压很快会上升到输入电压Vin,而C2开始放电,电压很快就下降到0,即将A点的电位钳位到0V。

由于次级折算过来的感量LS远远大于谐振电感的感量Lk,故基本可以认为此是的原边类似一个恒流源,此时的ip基本不变,或下降很小。

C1两端的电压由下式给出Vc1=Ip*(t2-t1)/(C1+C3)= Ip*(t2-t1)/2 Clead;

C2两端的电压由下式给出Vc1= Vin- 【Ip*(t2-t1)/2 Clead】;

其中Ip是在模态2流过原边电感的电流,在T2时刻C1上的电压很快上升到Vin,C2上的电压很快变成0V,D2开始导通。

在t2时刻之前,C1充满电,C2放完电,即 VC1= VC3= Vin VC2=VA=VB= 0V


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关键词: 移相 全桥电源电路
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