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          移相全桥ZVS PWM直流变换器

          在早期的大功率电源(输出功率大于1KW)应用中,硬开关全桥(Full-Bridge)拓扑是应用最为广泛的一种,其特点是开关频率固定,开关管承受的电压与电流应力小,便于控制,特别是适合于低压大电流,以及输出电压与电流变化较大的场合。但受制于开关器件的损耗,无法将开关频率提升以获得更高的功率密度。例如:一个5KW的电源,采用硬开关全桥,即使效率做到92%,那么依然还有400W的损耗,那么每提升一个点的效率,就可以减少50W的损耗,特别在多台并机以及长时间运行的系统中,其经济效益相当可观。文章来源:http://www.minaco-uk.com/bl/392.html
          随后,人们在硬开关全桥的基础上,开发出了一种软开关的全桥拓扑——移相全桥(Phase-Shifting Full-Bridge Converter,简称PS FB),利用功率器件的结电容与变压器的漏感作为谐振元件,使全桥电源的4个开关管依次在零电压下导通(Zero voltage Switching,简称ZVS),来实现恒频软开关,提升电源的整体效率与EMI性能,当然还可以提高电源的功率密度。利用移相(Phase ShiftingPS)来实现脉宽调制(PWM),调节输出电压;并实现零电压(ZVS)开通减小开关损耗。
          移相全桥的拓扑图
          上图是移相全桥的拓扑图,各个元件的意义如下:
          Vin:输入的直流电源
          T1-T4:4个主开关管,一般是MOSFET或IGBT
                  T1,T2称为超前臂开关管,T3,T4称为滞后臂开关管
          C1-C4:4个开关管的寄生电容或外加谐振电容
          D1-D4:4个开关管的寄生二极管或外加续流二极管
          VD1,VD2:电源次级高频整流二极管
          TR:移相全桥电源变压器
          Lp:变压器原边绕组电感量
          Ls1,Ls2:变压器副边电感量
          Lr:变压器原边漏感或原边漏感与外加电感的和
          Lf:移相全桥电源次级输出续流电感
          Cf: 移相全桥电源次级输出电容
          RL: 移相全桥电源次级负载
          主电路直流变换和移相控制脉宽
              1)同一半桥的上、下开关管导通时间关系和死区时间  全桥分为左、右两半桥,同一半桥的上、下两功率开关管轮流导通。为使变压器一次侧可获得最大平均电压,每管导通时间Ton应接近于(略小于)0.5T,T为开关周期,占空比赂小于0.5。为了实现ZVS和防止因上、下两开关管共态导通而造成输入电压Ui短路和烧管危险,应有“死区时间”(如0.6us)。
              2)全桥变换器的直流变换  对角线两桥臂的功率开关管,只有都导通时才能将直流输入电压Ui加在变压器一次侧。V1、V4都导通时,Ui正向加在变压器一次侧a、b两端(见图5-48a,图中以S1、S4代替开关管)。V2、V3都导通时,Ui反向加在变压器一次侧g a、b两端(见团5-48f)。这样反复,变压器获得交流电压。Cb为一次侧隔直(Blocking)电容,防止脉宽不对称时变压器有直流磁化。二次交流电压经VD5、VD6整流,Lo、Co滤波后,输出直流电压Uo。
              3)移相控制实现脉宽调制(PWM)  每只开关管的导通时间(驱动脉宽)不变,桥的对角线上两管导通时间的相位差可变,称为移相。
          因为是做理论分析,所以要将一些器件的特性理想化,具体如下:
          1、    假设所有的开关管为理想元件,开通与关断不存在延迟,导通电阻无穷小;开关管的体二极管或者外部的二极管也为理想元件,其开通与关断不存在延迟,正向压降为0。
          2、    所有的电感,电容都为理想元件,不存在寄生参数,变压器也为理想变压器,不存在漏感与分布参数的影响,励磁电感无穷大,励磁电流可以忽略,谐振电感是外加的。
          3、    超前桥臂与滞后的谐振电容都相等,即C1=C2=Clead,C3=C4=Clag
          次级续流电感通过匝比折算到初级的电感量LS`远远大于谐振电感的感量Lr,即LS`=Lf*n2》Lr
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