移相全橋?qū)W習(xí)筆記（一）
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。
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)洹葡嗳珮?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。
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
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=Lr*n2》Lr。
PS FB一個(gè)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這12個(gè)工作模態(tài)的情況，揭開移相全橋的神秘面紗。
工作模態(tài)一：正半周期功率輸出過程
此時(shí)T1與T4同時(shí)導(dǎo)通，T2與T3同時(shí)關(guān)斷，原邊電流的流向是T1—Lp—Lk—T4。
此時(shí)的輸入電壓幾乎全部降落在圖中的A,B兩點(diǎn)上，即UAB=Vin, 此時(shí)AB兩點(diǎn)的電感量除了有Lp與Lk之外，應(yīng)該還有次級反射回來的電感LS`（因?yàn)榇藭r(shí)次級二極管VD1是導(dǎo)通的），即LS`=n2* Lf,由于是按照匝比平方折算回來，所以LS`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+ LS`)
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(shí)給輸出電感Lf與輸出電容Cf儲能。（圖中未畫出）
此時(shí)， UC2=UC3=UA=UAB=Vin UB=0V
工作模態(tài)二：超前臂諧振過程
此時(shí)超前橋臂上管T1在t1時(shí)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LS`遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于諧振電感的感量Lk，故基本可以認(rèn)為此是的原邊類似一個(gè)恒流源，此時(shí)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 Clead
C2兩端的電壓由下式給出
Vc1= Vin- 【Ip*(t2-t1)/2 Clead】
其中Ip是在模態(tài)2流過原邊電感的電流，在T2時(shí)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(shí)刻之前，C1充滿電，C2放完電，即 VC1= VC3= Vin VC2=VA=VB= 0V
模態(tài)2的時(shí)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
此時(shí)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(shí)將T2打開，就實(shí)現(xiàn)了超前臂下管T2的ZVS開通；但此時(shí)的原邊電流仍然是從D2走，而不是T2。
此時(shí)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(shí)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(shí)間td，稱為超前臂死區(qū)時(shí)間，為保證滿足T2的ZVS開通條件，就必須讓C3放電到0V，即
td ≥△t= t2-t1=2 Clead * Vin/ Ip
此時(shí)， UC1=UC3=Vin ， UA=UB=UAB=0V
