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。
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