移相全橋ZVS PWM直流變換器

在早期的大功率電源（輸出功率大于1KW）應(yīng)用中，硬開關(guān)全橋(Full-Bridge)拓?fù)涫菓?yīng)用最為廣泛的一種，其特點(diǎn)是開關(guān)頻率固定，開關(guān)管承受的電壓與電流應(yīng)力小，便于控制，特別是適合于低壓大電流，以及輸出電壓與電流變化較大的場(chǎng)合。但受制于開關(guān)器件的損耗，無(wú)法將開關(guān)頻率提升以獲得更高的功率密度。例如：一個(gè)5KW的電源，采用硬開關(guān)全橋，即使效率做到92%，那么依然還有400W的損耗，那么每提升一個(gè)點(diǎn)的效率，就可以減少50W的損耗，特別在多臺(tái)并機(jī)以及長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的系統(tǒng)中，其經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。文章來(lái)源：http://wllre.cn/bl/392.html
隨后，人們?cè)谟查_關(guān)全橋的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了一種軟開關(guān)的全橋拓?fù)?mdash;—移相全橋(Phase-Shifting Full-Bridge Converter，簡(jiǎn)稱PS FB)，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)開關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通(Zero voltage Switching，簡(jiǎn)稱ZVS)，來(lái)實(shí)現(xiàn)恒頻軟開關(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。利用移相(Phase Shifting，PS)來(lái)實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制(PWM)，調(diào)節(jié)輸出電壓；并實(shí)現(xiàn)零電壓(ZVS)開通減小開關(guān)損耗。

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)主開關(guān)管，一般是MOSFET或IGBT
        T1,T2稱為超前臂開關(guān)管，T3,T4稱為滯后臂開關(guān)管
C1-C4：4個(gè)開關(guān)管的寄生電容或外加諧振電容
D1-D4：4個(gè)開關(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
R_L: 移相全橋電源次級(jí)負(fù)載
主電路直流變換和移相控制脈寬
    1)同一半橋的上、下開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間關(guān)系和死區(qū)時(shí)間  全橋分為左、右兩半橋，同一半橋的上、下兩功率開關(guān)管輪流導(dǎo)通。為使變壓器一次側(cè)可獲得最大平均電壓，每管導(dǎo)通時(shí)間Ton應(yīng)接近于(略小于)0.5T，T為開關(guān)周期，占空比賂小于0.5。為了實(shí)現(xiàn)ZVS和防止因上、下兩開關(guān)管共態(tài)導(dǎo)通而造成輸入電壓Ui短路和燒管危險(xiǎn)，應(yīng)有“死區(qū)時(shí)間”(如0.6us)。
    2)全橋變換器的直流變換  對(duì)角線兩橋臂的功率開關(guān)管，只有都導(dǎo)通時(shí)才能將直流輸入電壓Ui加在變壓器一次側(cè)。V1、V4都導(dǎo)通時(shí)，Ui正向加在變壓器一次側(cè)a、b兩端(見圖5-48a，圖中以S1、S4代替開關(guān)管)。V2、V3都導(dǎo)通時(shí)，Ui反向加在變壓器一次側(cè)g a、b兩端(見團(tuán)5-48f)。這樣反復(fù)，變壓器獲得交流電壓。Cb為一次側(cè)隔直(Blocking)電容，防止脈寬不對(duì)稱時(shí)變壓器有直流磁化。二次交流電壓經(jīng)VD5、VD6整流，Lo、Co濾波后，輸出直流電壓Uo。
    3)移相控制實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制(PWM)  每只開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間(驅(qū)動(dòng)脈寬)不變，橋的對(duì)角線上兩管導(dǎo)通時(shí)間的相位差可變，稱為移相。
因?yàn)槭亲隼碚摲治�，所以要將一些器件的特性理想化，具體如下：
1、    假設(shè)所有的開關(guān)管為理想元件，開通與關(guān)斷不存在延遲，導(dǎo)通電阻無(wú)窮小；開關(guān)管的體二極管或者外部的二極管也為理想元件，其開通與關(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=C_lead，C3=C4=C_lag。
次級(jí)續(xù)流電感通過(guò)匝比折算到初級(jí)的電感量L_S`遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于諧振電感的感量L<sub>r</sub>，即L<sub>S</sub>`=L_f*n²》L_r。