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）應用中，硬開關全橋(Full-Bridge)拓撲是應用最為廣泛的一種，其特點是開關頻率固定，開關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合。但受制于開關器件的損耗，無法將開關頻率提升以獲得更高的功率密度。例如：一個5KW的電源，采用硬開關全橋，即使效率做到92%，那么依然還有400W的損耗，那么每提升一個點的效率，就可以減少50W的損耗，特別在多臺并機以及長時間運行的系統(tǒng)中，其經(jīng)濟效益相當可觀。文章來源：http://ketaminerxfordepression.com/bl/392.html
隨后，人們在硬開關全橋的基礎上，開發(fā)出了一種軟開關的全橋拓撲——移相全橋(Phase-Shifting Full-Bridge Converter，簡稱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個開關管依次在零電壓下導通(Zero voltage Switching，簡稱ZVS)，來實現(xiàn)恒頻軟開關，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。利用移相(Phase Shifting，PS)來實現(xiàn)脈寬調(diào)制(PWM)，調(diào)節(jié)輸出電壓；并實現(xiàn)零電壓(ZVS)開通減小開關損耗。

上圖是移相全橋的拓撲圖，各個元件的意義如下：
Vin：輸入的直流電源
T1-T4：4個主開關管，一般是MOSFET或IGBT
        T1,T2稱為超前臂開關管，T3,T4稱為滯后臂開關管
C1-C4：4個開關管的寄生電容或外加諧振電容
D1-D4：4個開關管的寄生二極管或外加續(xù)流二極管
VD1,VD2:電源次級高頻整流二極管
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：移相全橋電源次級輸出續(xù)流電感
Cf: 移相全橋電源次級輸出電容
R_L: 移相全橋電源次級負載
主電路直流變換和移相控制脈寬
    1)同一半橋的上、下開關管導通時間關系和死區(qū)時間  全橋分為左、右兩半橋，同一半橋的上、下兩功率開關管輪流導通。為使變壓器一次側可獲得最大平均電壓，每管導通時間Ton應接近于(略小于)0.5T，T為開關周期，占空比賂小于0.5。為了實現(xiàn)ZVS和防止因上、下兩開關管共態(tài)導通而造成輸入電壓Ui短路和燒管危險，應有“死區(qū)時間”(如0.6us)。
    2)全橋變換器的直流變換  對角線兩橋臂的功率開關管，只有都導通時才能將直流輸入電壓Ui加在變壓器一次側。V1、V4都導通時，Ui正向加在變壓器一次側a、b兩端(見圖5-48a，圖中以S1、S4代替開關管)。V2、V3都導通時，Ui反向加在變壓器一次側g a、b兩端(見團5-48f)。這樣反復，變壓器獲得交流電壓。Cb為一次側隔直(Blocking)電容，防止脈寬不對稱時變壓器有直流磁化。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)移相控制實現(xiàn)脈寬調(diào)制(PWM)  每只開關管的導通時間(驅動脈寬)不變，橋的對角線上兩管導通時間的相位差可變，稱為移相。
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、    假設所有的開關管為理想元件，開通與關斷不存在延遲，導通電阻無窮��；開關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，勵磁電感無窮大，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=C_lead，C3=C4=C_lag。
次級續(xù)流電感通過匝比折算到初級的電感量L_S`遠遠大于諧振電感的感量L<sub>r</sub>，即L<sub>S</sub>`=L_f*n²》L_r。