移相全橋ZVS PWM直流變換器正半周工作模式分析

移相全橋PS FB一個周期可以分為12中工作模態(tài)，其中正負(fù)半周期是對應(yīng)的關(guān)系，只不過改變的是電流在橋臂上的流向，下面我們首先來分析ZVS這12個工作模態(tài)的情況，揭開移相全橋的神秘面紗。文章來源：http://awcss.com/bl/392.html 工作模態(tài)一：正半周期功率輸出過程
如上圖,此時T1與T4同時導(dǎo)通，T2與T3同時關(guān)斷，原邊電流的流向是T1—Lp—Lk—T4,如圖所示。
此時的輸入電壓幾乎全部降落在圖中的A,B兩點(diǎn)上，即U_AB=V_in, 此時AB兩點(diǎn)的電感量除了圖上標(biāo)示出的Lp與Lk之外，應(yīng)該還有次級反射回來的電感L_S`（因?yàn)榇藭r次級二極管VD1是導(dǎo)通的），即L<sub>S</sub>`=n²* L_f,由于是按照匝比平方折算回來，所以L_S`會比Lk大很多，導(dǎo)致Ip上升緩慢，上升電流△Ip為
△Ip=(Vin-n*Uo)*(t1-t0)/( Lk+ L<sub>S</sub>`)
Vin-n*Uo是諧振電感兩端的電壓，就是用輸入電壓減去次級反射回來的電壓
此過程中，根據(jù)變壓器的同名端關(guān)系，次級二極管VD1導(dǎo)通，VD2關(guān)斷，變壓器原邊向負(fù)載提供能量，同時給輸出電感L_f與輸出電容C_f儲能。（圖中未畫出）
此時，               U_C2 =U_C3=U_A=U_AB=V_in
U_B=0V 工作模態(tài)二：超前臂諧振過程
如上圖，此時超前橋臂上管T1在t1時刻關(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的方向，故電流被轉(zhuǎn)移到C1與C2中，C1被充電，電壓很快會上升到輸入電壓Vin，而C2開始放電，電壓很快就下降到0，即將A點(diǎn)的電位鉗位到0V。
由于次級折算過來的感量L_S`遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于諧振電感的感量L_k，故基本可以認(rèn)為此是的原邊類似一個恒流源，此時的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 C_lead
C2兩端的電壓由下式給出
Vc1= Vin- 【Ip*(t2-t1)/2 C_lead】
其中Ip是在模態(tài)2流過原邊電感的電流，在T2時刻C1上的電壓很快上升到Vin，C2上的電壓很快變成0V，D2開始導(dǎo)通。
在t2時刻之前，C1充滿電，C2放完電，即 V_C1= V_C3= Vin  V_C2=V_A=V_B= 0V
模態(tài)2的時間為
△t= t2-t1=2 Clead * Vin/ Ip 工作模態(tài)三：原邊電流正半周期鉗位續(xù)流過程
如上圖，此時二極管D2已經(jīng)完全導(dǎo)通續(xù)流，將超前臂下管T2兩端的電壓鉗位到0V，此時將T2打開，就實(shí)現(xiàn)了超前臂下管T2的ZVS開通；但此時的原邊電流仍然是從D2走，而不是T2。
此時流過原邊的電流仍然較大，等與副邊電感Lf的電流折算到原邊的電流
        即      ip(t)= iLf(t)/n
此時電流的下降速度跟電感量有關(guān)。
從超前臂T1關(guān)斷到T2打開這段時間td，稱為超前臂死區(qū)時間，為保證滿足T2的ZVS開通條件，就必須讓C2放電到0V，即
           td ≥△t= t2-t1=2 Clead * Vin/ Ip
此時，    UC1=UC3=Vin   ，  UA=UB=UAB=0V
C3的極性并沒有突變，在T4關(guān)斷前C3的電壓就等于原邊的輸入電壓，因?yàn)榇藭rB點(diǎn)電壓為0V，當(dāng)T4關(guān)斷的時刻，可以認(rèn)為是ip通過Lk與Vin通過C3同時給C4充電 工作模態(tài)四：正半周期滯后臂諧振過程
如圖所示:在T3時刻將滯后臂下管T4關(guān)斷，在T4關(guān)斷前，C4兩端的電壓為0，所以T4是零電壓關(guān)斷。
由于T4的關(guān)斷，原邊電流ip突然失去通路，但由電感的原理我們知道，原邊電流不允許突變，需要維持原來的方向，以一定的速率減少。所以，原邊電流ip會對C4充電，使C4兩端的電壓慢慢往上升，同時抽走C3兩端的電荷。
即               ip(t)=I2sinω(t-t3)
                vc4(t)=ZpI2sinω(t-t3)
                 vc3(t)=Vin-ZpI2sinω(t-t3)
其中，I2：t3時刻，原邊電流下降之后的電流值
      Zp：滯后臂的諧振阻抗，Zp= )0.5
         ω：滯后臂的諧振角頻率，ω=1/(2Lr*Clag)0.5
可能有人會感到奇怪，電流怎么出現(xiàn)了正弦函數(shù)關(guān)系呢，沒錯，因?yàn)榇藭r是原邊的諧振電感Lr與滯后臂的兩個電容C3,C4諧振，其關(guān)系就是正弦關(guān)系。
為何我上面提到只有原邊的諧振電感Lr參加諧振呢，那么次級的儲能電感是否有參加諧振呢？下面我們來分析一下：
由于滯后臂下管T4的關(guān)斷，C4慢慢建立起電壓，而最終等于電源電壓，即UC4=Vin,從圖紙上我們可以看到，UC4其實(shí)就是B點(diǎn)的電壓，C4兩端電壓的上升就是B點(diǎn)電壓由0V慢慢的上升過程，而此時A點(diǎn)電壓被鉗位到0V，所以這會導(dǎo)致UAB<0V，也就是說這個時候原邊繞組的電壓已經(jīng)開始反向。
由于原邊電壓的反向，根據(jù)同名端的關(guān)系，L_S1，L_S2同時出現(xiàn)下正上負(fù)的關(guān)系，此時VD2開始導(dǎo)通并流過電流；而由于L_S1與L_f的關(guān)系，流過L_S1與VD1的電流不能馬上減少到0，只能慢慢的減少；而且通過VD2的電流也只能慢慢的增加，所以出現(xiàn)了VD1與VD2同時導(dǎo)通的情況，即副邊繞組L_S1，L_S2同時出現(xiàn)了短路。
而副邊繞組的短路，導(dǎo)致L_f反射到原邊去的通路被切斷，也就是說會導(dǎo)致原邊參加諧振的電感量由原來的（L_f*n²+ L_r）迅速減少到只剩L_r，由于L_r比（L_f*n²+ L_r）小很多，所以原邊電流會迅速減少。
此時，原邊的U_AB=U_Lr=-V_in，U_A=0V, U_B= V_in
所以T4是零電壓關(guān)斷。 開關(guān)模態(tài)五：諧振結(jié)束，原邊電感向電網(wǎng)饋能
如圖所示，當(dāng)C4充電到Vin之后，諧振結(jié)束，就不再有電流流過C3,C4,轉(zhuǎn)而D3自然導(dǎo)通，原邊電流通過D2—Lr—D3向電網(wǎng)饋能，其實(shí)能量來源于儲存在Lr中的能量，此時原邊電流迅速減少，
ip(t)= Ip4- (t-t4)
   其中  Ip4是t4時刻的原邊電流值
在t5時刻減少到0。
此時T3兩端的電壓降為0V，只要在這個時間將T3開啟，那么T3就達(dá)到了零電壓開啟的效果。
在這里有幾個概念需要介紹下：
死區(qū)時間：超前臂或滯后臂的上下兩管，開通或關(guān)閉的間隔時間，移相全橋電源每個周期有4個死區(qū)時間。
諧振周期：滯后臂兩個管子關(guān)斷之后到超前臂兩個管子開通之前，次級電感通過匝比反射回來的電感與諧振電感之和與各自的諧振電容的2個諧振時間；還有就是超前臂已經(jīng)開通，滯后臂兩個管子換流之前，諧振電感與各自的諧振電容的2個諧振時間。
移相角度：指的是超前臂上管開通到滯后臂下管的開通的時間間隔或超前臂下管開通到滯后臂上管的開通的時間間隔，再轉(zhuǎn)換成角頻率ω
ω=2∏f=2∏/T.
對于開關(guān)模態(tài)5來說，諧振周期一定要小于死區(qū)時間，否則就不能達(dá)到滯后臂的ZVS效果了。但此時的諧振電感是沒有次級電感通過匝比反射回來的，所以只有諧振電感參與了諧振，在設(shè)計(jì)的時候小心了，諧振電感一定要足夠大，否則諧振能量不夠的話，原邊電流就會畸變。
在t5時刻，UAB=ULr=-Vin，UA=0V, UB= UC1= Vin 開關(guān)模態(tài)六：原邊電流從0反向增大
如圖所示，在t5時刻之前，T3已經(jīng)導(dǎo)通，在t5時刻原邊電流ip已經(jīng)下降到0，由于沒有了電流，所以D2，D3自然關(guān)斷。
在t5-t6的時間內(nèi)，副邊的二極管D1，D2還是同時導(dǎo)通流過電流，將副邊繞組短路，阻斷輸出電感反射到初級的途徑，此時的負(fù)載電流還是由次級電感與輸出電容提供；同時，由于原邊的T2，T3已經(jīng)導(dǎo)通，原邊電流ip流過T3--Lr--T2,又因?yàn)長r很小，所以原邊電流ip就會反向急劇增大。
即                   ip(t)= - (t-t5)
在t6時刻，ip達(dá)到最大，等于副邊的電感電流折算到初級的電流
即                    ip(t6)= - ILf(t6)/n
在這個開關(guān)模態(tài)，原邊電流是不傳遞能量的，但副邊卻存在著一個劇烈的換流過程，通過副邊二極管VD1的電流迅速減少，VD2的電流迅速增大，在t6時刻，通過VD1的電流減少到0，通過VD2的電流等于電感電流ILf。
在t6時刻之前，原邊的UAB= ULr=-Vin，UA=0V, UB= Vin
達(dá)到t6時刻之后，移相全橋的正半周期工作結(jié)束；并開始負(fù)半周期工作，其工作原理與正半周期相似，下面來做進(jìn)一步的分析：