在早期的大功率電源(輸出功率大于1KW)應(yīng)用中,硬開關(guān)全橋(Full-Bridge)拓?fù)涫菓?yīng)用最為廣泛的一種,其特點(diǎn)是開關(guān)頻率固定,開關(guān)管承受的電壓與電流應(yīng)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(guān)器件的損耗,無法將開關(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(jī)以及長時(shí)間運(yùn)行的系統(tǒng)中,其經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。文章來源:http://awcss.com/bl/392.html
隨后,人們在硬開關(guān)全橋的基礎(chǔ)上,開發(fā)出了一種軟開關(guān)的全橋拓?fù)?mdash;—
移相全橋(Phase-Shifting Full-Bridge Converter,簡稱PS FB),利用功率器件的結(jié)電容與變壓器的漏感作為諧振元件,使全橋電源的4個(gè)開關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通(Zero voltage Switching,簡稱
ZVS),來實(shí)現(xiàn)恒頻軟開關(guān),提升電源的整體效率與EMI性能,當(dāng)然還可以提高電源的功率密度。
利用移相(Phase Shifting,PS)來實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制(PWM),調(diào)節(jié)輸出電壓;并實(shí)現(xiàn)零電壓(ZVS)開通減小開關(guān)損耗。
上圖是移相全橋的拓?fù)鋱D,各個(gè)元件的意義如下:
Vin:輸入的直流電源
T1-T4:4個(gè)主開關(guān)管,一般是MOSFET或IGBT
T1,T2稱為超前臂開關(guān)管,T3,T4稱為滯后臂開關(guān)管
C1-C4:4個(gè)開關(guān)管的寄生電容或外加諧振電容
D1-D4:4個(gè)開關(guān)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
RL: 移相全橋電源次級負(fù)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(guān)管導(dǎo)通時(shí)間關(guān)系和死區(qū)時(shí)間 全橋分為左、右兩半橋,同一半橋的上、下兩功率開關(guān)管輪流導(dǎo)通。為使變壓器一次側(cè)可獲得最大平均電壓,每管導(dǎo)通時(shí)間Ton應(yīng)接近于(略小于)0.5T,T為開關(guān)周期,占空比賂小于0.5。為了實(shí)現(xiàn)ZVS和防止因上、下兩開關(guān)管共態(tài)導(dǎo)通而造成輸入電壓Ui短路和燒管危險(xiǎn),應(yīng)有“死區(qū)時(shí)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(guān)管,只有都導(dǎo)通時(shí)才能將直流輸入電壓Ui加在變壓器一次側(cè)。V1、V4都導(dǎo)通時(shí),Ui正向加在變壓器一次側(cè)a、b兩端(見圖5-48a,圖中以S1、S4代替開關(guān)管)。V2、V3都導(dǎo)通時(shí),Ui反向加在變壓器一次側(cè)g a、b兩端(見團(tuán)5-48f)。這樣反復(fù),變壓器獲得交流電壓。Cb為一次側(cè)隔直(Blocking)電容,防止脈寬不對稱時(shí)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(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制(PWM) 每只開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間(驅(qū)動脈寬)不變,橋的對角線上兩管導(dǎo)通時(shí)間的相位差可變,稱為移相。
因?yàn)槭亲隼碚摲治,所以要將一些器件的特性理想化,具體如下:
1、 假設(shè)所有的開關(guān)管為理想元件,開通與關(guān)斷不存在延遲,導(dǎo)通電阻無窮;開關(guān)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(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(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=Clead,C3=C4=Clag。
次級續(xù)流電感通過匝比折算到初級的電感量LS`遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于諧振電感的感量Lr,即LS`=Lf*n2》Lr。