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移相全橋電路原理是什麽

移相全橋拓撲在隔離型DC-DC電源中應用十分廣泛,其電路構成與工作原理主要為以下:

壹、拓撲構成

移相全橋拓撲采用移相控制方式,利用功率器件的結電容與諧振電感的諧振實現恒頻軟開關。

移相全橋有零電壓開關(ZVS)和零電壓零電流開關(ZVZCS)兩種實現方式。

ZVZCS由於結構復雜並不常用,因此本篇將重點介紹ZVS移相全橋電路。

ZVS移相全橋電路能夠有效降低功率管開關損耗,提高開關頻率,減小裝置體積。電路控制方式簡單,適用於多種輸入電源和負載類型。

其基本電路包括:原邊全橋電路、變壓器和副邊整流電路,參見下圖。常用副邊電路有全波整流電路(下圖(a))與全橋整流電路(下圖(b))。

全橋整流多適用於大功率場合,小功率場合可采用全波整流。

原邊全橋電路包含:

輸入直流源Vin 、輸入電容Cin、功率開關管器件(Q1~Q4)以及諧振電感Lr ,其中體二極管(D1~D4)以及寄生結電容(C1~C4) 為功率開關器件的自有部分。

為抑制變壓器磁飽和,部分電路會在Lr 後串聯隔直電容。

副邊電路包含:整流二極管(DR1~DR4)、濾波電感(Lf)、濾波電容(Cf)以及負載(Rd)。

二、工作原理

▍PWM控制方式

移相全橋電路分為超前橋臂(Q1、Q2)與滯後橋臂(Q3、Q4),同壹橋臂的上下兩個開關管輪流導通,實現控制。

移相角:對角兩個開關管的導通相位差(0°~180°)。可以通過控制移相角的大小改變原邊輸出電壓占空比,從而調節輸出電壓。

死區時間:同壹臂上下兩管的開通與關斷之間的間隔時間。

為便於分析電路工作過程,我們做以下假設:

功率開關管的寄生電容應滿足C1=C2=Clead,C3=C4=Clag;

濾波電感足夠大,滿足Lf>>Lr/K?其中K為變壓器原副邊匝比;

輸出濾波電容足夠大,其電壓可認為是恒壓源。

▍工作模態分析

移相全橋的壹個周期中包含12個工作模態,下面以半個周期(t0~t6)為例進行講解,電路副邊為全波整流電路。

工作模態1(t0~t1):正半周期功率輸出模式

t0時刻Q1、Q4導通且VAB處於恒定狀態(VAB=Vin),原邊電流Ip經Q1、Lr、Q4向負載供電,同時給結電容C2、C3充電。變壓器副邊DR1導通,DR2截止,DR1、Lf、Rd構成供電回路。濾波電感Lf的電流在電壓VLf=Vin/n-V0的作用下線性增加。

工作模態2(t1~t2):超前橋臂諧振模式

在t1時刻Q1關斷,由於諧振電感Lr的存在,電流Ip不會突變,仍維持正向(A→B)流動,Ip從Q1中轉移到C1和C2支路中,對C1充電並對C2放電,C1、C2與Lr發生諧振。由於C1、C2的作用,Q1零電壓關斷。 由於諧振電感Lr和原邊等效濾波電感Lf串聯,因而電感很大,可認為原邊電流Ip近似不變,類似於壹個恒流源。

工作模態3(t2~t3):原邊電流鉗位續流模式

t2時刻C1與C2充放電結束。此時C2兩端電壓為0,電流經D2續流,並將開關管Q2漏源極的電壓箝位為0,此時便可實現Q2的零電壓開通。

此時VAB為0,原邊電流Ip仍按原方向繼續流動,但是在不斷減小。

工作模態4(t3~t4):滯後橋臂諧振模式

t3時刻Q4關斷。Ip從Q4中轉移到C3和C4支路中,對C4充電並對C3放電,諧振電感Lr和C3、C4

發生諧振。由於有C3和C4作用,Q4零電壓關斷。此時AB之間電壓由0變為負(VAB=-VC4),副邊變壓器感應電動勢反向,使得整流二極管DR2導通,DR1和DR2同時導通後將變壓器的副邊線圈短路。在此過程中DR1中電流不斷減小,DR2中電流不斷增大。

工作模態5(t4~t5):諧振能量回饋電源模式

t4時刻C3與C4充放電結束。此時VAB=-VC4=-Vin,D3導通續流,將開關管Q3漏源極的電壓箝位為0,此時便可實現Q3的零電壓開通。體二極管D2、D3續流,將諧振電感Lr所儲存的能量回饋給電源,變壓器原邊電流Ip線性減小。

工作模態6(t5~t6):原邊電流緩變模式

t5時刻Ip將為零後向負向增大。此時D2與D3關斷,Q2和Q3為原邊電流提供通路。此時原邊電流仍不足以提供負載電流,副邊繞組還處於短接狀態。因此原邊繞組電壓仍為零,電壓Vin全部施加在Lr

兩端,反向線性上升。直到t6時刻,DR1與DR2換流結束,DR1截止,隨後進入負半周期的功率輸出模式(Q2、Q3穩定導通)。負半周的工作過程與正半周期類似,在此不做講解。

關鍵問題分析

▍橋臂ZVS的實現

超前橋臂的ZVS實現

超前橋臂實現ZVS比較容易,因為其電容充放電過程由Lr與原邊等效Lf***同完成。

由於原邊等效Lf很大,電流Ip近似不變,相當於恒流源,所以超前橋臂的並聯電容能夠迅速充放電,這樣即便在很寬負載電流下,也能實現ZVS。

同時,在PWM控制方法上要保證驅動信號的死區大於2CleadVin/Ip。

滯後橋臂的ZVS實現

滯後橋臂ZVS過程中副邊處於短路狀態,Lf與變壓器原沒有聯系,只有Lr中的能量用來實現零電壓開關。

但是,由於Lr遠小於Lf,其儲存的能量有限,所以滯後橋臂的ZVS實現比較困難。在變換器輕載或諧振電感較小時,若Lr中的能量無法滿足電容充放電需求,滯後橋臂將無法實現ZVS。

要實現滯後橋臂ZVS,必須滿足以下兩個條件:

諧振電感儲能大於參與諧振的滯後橋臂的結電容儲能;

滯後橋臂開關的死區時間應小於或等於四分之壹諧振周期(Lr與充放電電容)。

▍副邊占空比丟失

ZVS移相全橋DC/DC變換器在滯後臂開關管關斷後會出現副邊占空比丟失現象。

此時原邊電流反向,負載電流進入換向階段,原邊電流較小,不能供給負載電流,導致變壓器副邊兩個整流管都導通,電壓被二極管鉗位至零電壓。

這個時間段內會出現部分電壓方波的丟失,如圖所示,Dloss=D-Deff。

影響占空比丟失的因素包括諧振電感、負載電流、變壓器變比和輸入電壓。

增大諧振電感會加劇占空比丟失,但減小諧振電感不利於滯後臂開關管的ZVS過程,因此需要選擇合適的Lr。

此外,減小變壓器變比也可減少占空比丟失,但會增大開關管通態損耗以及副邊整流二極管的耐壓。

▍變壓器磁芯飽和

在電路中,Q1、Q4導通時間不可能與Q2、Q3

完全相同,其通態壓降也可能存在差異,所以變壓器原邊的電壓不是壹個純粹的交流電壓,它含有直流成分,這會導致變壓器磁芯偏磁。

偏磁的積累將導致變壓器磁飽和,使變壓器不能正常工作,甚至造成元器件損壞。

在設計變壓器原邊電路時,在諧振電感後串接隔直電容可以防止變壓器磁飽和。該電容能夠自動消除正、反兩個方向伏秒面積的不同,使變壓器上只有交流電壓分量,抑制直流分量。

選擇電容時,建議其電壓降約為變壓器兩端電壓的10%。

▍副邊整流二極管電壓振蕩

原邊電流換向結束後,電源開始給負載供電,輸出整流二極管反向恢復。

此時,變壓器漏感、整流二極管結電容以及變壓器繞組電容之間會發生高頻諧振。

在整流管結電容充放電過程中,會出現寄生振蕩,導致整流管的電壓應力增加,縮短元件壽命,造成嚴重的電磁幹擾。

為了減小副邊寄生振蕩,可以使用開關速度快、超快恢復、柔性系數大的二極管,或增加壹些緩沖網絡(如RC、RCD吸收網絡)。

目前應用比較多的方法是在原邊增加二極管鉗位緩沖電路,它能抑制整流橋寄生振蕩,減小二極管兩端承受的尖峰電壓。

基於移相全橋電路開發的隔離型DC-DC電源在電力系統、工業測量系統、汽車電子裝置、化工電解電鍍、冶金、船舶以及軍工等領域均有應用。

移向全橋電路可以依托PPEC Workbench圖形化編程平臺免代碼編程,實現電源的快速研發。

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