工程師分享：基于移相全橋電源電路的學(xué)習筆記

在早期的大功率電源(輸出功率大于1KW)應用中，硬開(kāi)關(guān)全橋(Full-Bridge)拓撲是應用最為廣泛的一種，其特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率固定，開(kāi)關(guān)管承受的電壓與電流應力小，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(kāi)關(guān)器件的損耗，無(wú)法將開(kāi)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(kāi)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，特別在多臺并機以及長(cháng)時(shí)間運行的系統中，其經(jīng)濟效益相當可觀(guān)。

隨后，人們在硬開(kāi)關(guān)全橋的基礎上，開(kāi)發(fā)出了一種軟開(kāi)關(guān)的全橋拓撲——移相全橋(Phase-Shifting Full-Bridge Converter，簡(jiǎn)稱(chēng)PS FB)，利用功率器件的結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通(Zero voltage Switching，簡(jiǎn)稱(chēng)ZVS)，來(lái)實(shí)現恒頻軟開(kāi)關(guān)，提升電源的整體效率與EMI性能，當然還可以提高電源的功率密度。

上圖是移相全橋的拓撲圖

因為是做理論分析，所以要將一些器件的特性理想化，具體如下：

1、 假設所有的開(kāi)關(guān)管為理想元件，開(kāi)通與關(guān)斷不存在延遲，導通電阻無(wú)窮??；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，變壓器也為理想變壓器，不存在漏感與分布參數的影響，勵磁電感無(wú)窮大，勵磁電流可以忽略，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。

次級續流電感通過(guò)匝比折算到初級的電感量LS遠遠大于諧振電感的感量Lr，即LS`=Lr*n2》Lr。

PS FB一個(gè)周期可以分為12中工作模態(tài)，其中正負半周期是對應的關(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示出的Lp與Lk之外，應該還有次級反射回來(lái)的電感LS(因為此時(shí)次級二極管VD1是導通的)，即LS`=n2* Lf,由于是按照匝比平方折算回來(lái)，所以L(fǎng)S`會(huì )比Lk大很多，導致Ip上升緩慢，上升電流△Ip為△Ip=(Vin-n*Uo)*(t1-t0)/( Lk+ LS`)。

此過(guò)程中，根據變壓器的同名端關(guān)系，次級二極管VD1導通，VD2關(guān)斷，變壓器原邊向負載提供能量，同時(shí)給輸出電感Lf與輸出電容Cf儲能。

此時(shí)， UC2 =UC3=UA=UAB=Vin；UB=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。

由于次級折算過(guò)來(lái)的感量LS遠遠大于諧振電感的感量Lk，故基本可以認為此是的原邊類(lèi)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)/(C1+C3)= Ip*(t2-t1)/2 Clead；

C2兩端的電壓由下式給出Vc1= Vin- 【Ip*(t2-t1)/2 Clead】；

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)始導通。

在t2時(shí)刻之前，C1充滿(mǎn)電，C2放完電，即 VC1= VC3= Vin VC2=VA=VB= 0V