移相全桥拓扑原理分析 移相全桥与LLC的区别

移相全桥拓扑作为一种在电力电子领域广泛应用的电路结构，其工作原理和特性对于深入理解DC-DC变换器的设计和优化至关重要。

一、基本原理

移相全桥拓扑是一种基于移相控制策略的DC-DC变换器拓扑结构。它利用功率器件的结电容和谐振电感的谐振，实现恒频软开关操作，从而有效降低开关损耗，提高转换效率，减小装置体积。移相全桥拓扑主要通过调节对角两个开关管的导通相位差（即移相角）来控制输出电压，具有控制简单、适用范围广等优点。

二、电路结构

移相全桥拓扑的基本电路包括原边全桥电路、变压器和副边整流电路。原边全桥电路由四个功率开关管（Q1-Q4）组成，通过输入直流源Vin供电，并包含输入电容Cin和谐振电感Lr。副边电路则根据应用需求选择全波整流电路或全桥整流电路，通常包含整流二极管（DR1~DR4）、滤波电感Lf、滤波电容Cf以及负载Rd。

1. 原边全桥电路

原边全桥电路由四个功率开关管（Q1-Q4）构成，它们按照Q1、Q4、Q2、Q3的顺序依次导通和关断，形成超前桥臂（Q1、Q2）和滞后桥臂（Q3、Q4）。每个开关管都有其体二极管（D1-D4）和寄生结电容（C1~C4）。为抑制变压器磁饱和，部分电路会在谐振电感Lr后串联隔直电容。

2. 变压器

变压器是移相全桥拓扑中的关键元件，用于实现原边和副边之间的电压和电流变换。其原边与副边的匝比决定了电压的变换比，同时也会影响电路的工作特性和效率。

3. 副边整流电路

副边整流电路根据应用需求可选择全波整流或全桥整流。全桥整流适用于大功率场合，而小功率场合则可采用全波整流。整流二极管（DR1~DR4）将变压器副边的高频交流电压转换为直流电压，并通过滤波电感Lf和滤波电容Cf进行平滑处理，供给负载Rd。
移相全桥与LLC的区别

移相全桥，顾名思义，首先它的硬件拓扑是一个全桥结构，而“移相”的意思是控制方式采用移相方式。我们知道PWM和PFM的控制原理，那么“移相”控制的控制原理是什么呢？

UCC2895是经典的移相全桥控制芯片，图1是它datasheet中的时序图。CLOCK是芯片的时钟，决定了芯片工作频率；RAMP与环路输出的COMP信号做比较，决定移相角度大小PWM SIGNGAL，PWM SIGNAL占空比为0时，移相角度为180°，占空比为100%时，移相角度为0。

图1

图2是驱动的信号的接对应MOS管的驱动方法。在PWM驱动方式控制中，一般是直接控制对管的Q1/Q4、Q2/Q3的驱动信号占空比大小。而在移相方式中，不直接改变单个开关管的驱动占空比，而是保持每个开关管驱动占空比为50%，通过改变驱动信号相位的方式来改变对管同时导通时间，从而调节输出。所以实际上“移相”也是一种特殊PWM控制方式。

图1中，OUTPUTA/OUTPUTB相位超前于OUTPUTC/OUTPUTD，所以我们称图2中的Q1和Q2为超前桥臂，Q3和Q4为滞后桥臂。超前桥臂比滞后桥臂更容易实现ZVS，这是为什么呢，后面将会作出解释。

图2

图3

图3展示了移相全桥工作的实现波形图，其中Ip为谐振腔的电流，Vrect为变压器副边电压，其值等于VIN/N，N为变压器匝比。Vrect波形的阴影部分是丢失的波形，即在实际中这部分时间没有能量传递到输出，相当于这部分MOS管的占空比被间接丢失了，导致有效占空比变小，这在设计时应该考虑补偿占空比。

三、工作模态

移相全桥电路的一个周期中包含多个工作模态，下面以半个周期为例进行详细分析（假设副边为全波整流电路）。

1. 初始状态（t0时刻）

在t0时刻，Q1和Q4导通，VAB处于恒定状态（VAB=Vin），原边电流Ip经Q1、Lr、Q4向负载供电，同时给结电容C2、C3充电。变压器副边DR1导通，DR2截止，DR1、Lf、Rd构成供电回路。滤波电感Lf的电流在电压VLf=Vin/n-V0的作用下线性增加。

2. Q1关断（t1时刻）

t1时刻Q1关断，由于谐振电感Lr的存在，电流Ip不会突变，仍维持正向（A→B）流动。Ip从Q1中转移到C1和C2支路中，对C1充电并对C2放电，C1、C2与Lr发生谐振。由于C1、C2的作用，Q1实现零电压关断。

3. C1与C2充放电结束（t2时刻）

t2时刻C1与C2充放电结束。此时C2两端电压为0，电流经D2续流，并将开关管Q2漏源极的电压箝位为0，此时Q2实现零电压开通。此时VAB为0，原边电流Ip仍按原方向继续流动，但不断减小。

4. Q4关断（t3时刻）

t3时刻Q4关断，Ip从Q4中转移到C3和C4支路中，对C4充电并对C3放电，谐振电感Lr和C3、C4发生谐振。由于C3和C4的作用，Q4实现零电压关断。此时AB之间电压由0变为负（VAB=-VC4），副边变压器感应电动势反向，使得整流二极管DR2导通，DR1和DR2同时导通后将变压器的副边线圈短路。

5. C3与C4充放电结束（t4时刻）

t4时刻C3与C4充放电结束。此时C4两端电压为0，电流经D3续流，并将开关管Q3漏源极的电压箝位为0，此时Q3实现零电压开通。此时，VAB保持为负值，但大小由-VC4逐渐过渡到-Vin，因为Q3和D3共同导电，原边电流Ip开始反向增加。

6. Q2关断（t5时刻）

在t5时刻，Q2关断。由于谐振电感Lr和开关管寄生电容的存在，Ip不会立即改变方向，而是继续通过D3和Q3流通，并对C2进行充电，同时对C1进行放电。这个过程中，C1和C2与Lr再次发生谐振，使得Q2在零电压下关断。此时，VAB仍为负值，但绝对值逐渐减小。

7. C1与C2充放电结束（t6时刻）

当C1和C2的充放电过程在t6时刻结束时，C1两端的电压达到Vin，C2两端的电压降为0。此时，Q1的体二极管D1开始导通，将Q1的漏源极电压箝位为0，为Q1的下一次零电压开通做好准备。此时，原边电流Ip已经反向，并且继续通过D3和Q3流通。

8. Q3关断（t7时刻）

在t7时刻，Q3关断。同样地，由于谐振电感Lr和寄生电容的作用，Ip不会突变，而是继续通过D1、Lr和D3流通，并对C3进行充电，同时对C4进行放电。这个过程中，C3和C4与Lr发生谐振，使得Q3在零电压下关断。此时，VAB开始从负值逐渐增加到0，并最终变为正值。

9. C3与C4充放电结束（t8时刻）

当C3和C4的充放电过程在t8时刻结束时，C4两端的电压达到Vin，C3两端的电压降为0。此时，Q4的体二极管D4开始导通，将Q4的漏源极电压箝位为0，为Q4的下一次零电压开通做好准备。至此，一个完整的半周期结束，电路进入下一个半周期的工作模态，但工作过程与上述相反。

四、关键问题分析

1. 软开关实现条件

移相全桥拓扑实现软开关的关键在于谐振电感Lr、开关管寄生电容以及移相角的合理设计。只有当谐振电感Lr的感值与开关管寄生电容的容值相匹配，且移相角设置得当，才能确保开关管在零电压或零电流条件下开通或关断。

2. 变压器磁饱和问题

由于移相全桥拓扑中变压器原边电流存在直流分量，长时间运行可能导致变压器磁芯饱和。为了防止磁饱和，通常在谐振电感Lr后串联隔直电容，以滤除电流中的直流分量。

3. 环流问题

在移相全桥拓扑中，当两个对角开关管同时关断时，会产生较大的环流。环流不仅增加了开关损耗，还可能对电路的稳定性造成影响。因此，在设计时需要合理控制移相角，以减小环流的大小。

4. 负载适应性

移相全桥拓扑的负载适应性较强，但在轻载或空载情况下，由于谐振电感Lr中的能量无法完全传递到负载，可能导致电路效率下降。此时，需要采取适当的控制策略来优化电路性能。移相全桥拓扑作为一种高效、可靠的DC-DC变换器拓扑结构，在电力电子领域具有广泛的应用前景。