0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

移相全桥拓扑组成及原理详解

森木磊石 2023-08-25 08:25 次阅读

前面的课程中我们已经对数字电源的控制核心与外围电路进行了介绍,有漏掉或忘记了的朋友可以查看前面几期课程复习哈,接下来我们就要开始对数字电源中常用的拓扑电路进行讲解了。

提到电源拓扑,首先要说的就是移相全桥拓扑啦,它在隔离型DC-DC电源中应用十分广泛,本期我们就对其电路构成与工作原理为大家进行介绍。拓扑构成

移相全桥拓扑采用移相控制方式,利用功率器件的结电容与谐振电感的谐振实现恒频软开关。

移相全桥有零电压开关(ZVS)和零电压零电流开关(ZVZCS)两种实现方式。

ZVZCS由于结构复杂并不常用,因此本篇将重点介绍ZVS移相全桥电路

ZVS移相全桥电路能够有效降低功率管开关损耗,提高开关频率,减小装置体积。电路控制方式简单,适用于多种输入电源和负载类型。

其基本电路包括:原边全桥电路、变压器和副边整流电路,参见下图。常用副边电路有全波整流电路(下图(a))与全桥整流电路(下图(b))。

c9e4cc06-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png

全桥整流多适用于大功率场合,小功率场合可采用全波整流。

原边全桥电路包含:

输入直流源Vin、输入电容Cin、功率开关管器件(Q1~Q4)以及谐振电感Lr,其中体二极管(D1~D4)以及寄生结电容(C1~C4)为功率开关器件的自有部分。

为抑制变压器磁饱和,部分电路会在Lr后串联隔直电容。

副边电路包含:整流二极管(DR1~DR4)、滤波电感(Lf)、滤波电容(Cf)以及负载(Rd)。工作原理

▍PWM控制方式

移相全桥电路分为超前桥臂(Q1、Q2)与滞后桥臂(Q3、Q4),同一桥臂的上下两个开关管轮流导通,实现控制。

移相角:对角两个开关管的导通相位差(0°~180°)。可以通过控制移相角的大小改变原边输出电压占空比,从而调节输出电压。

死区时间:同一臂上下两管的开通与关断之间的间隔时间。

ca23e526-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png

为便于分析电路工作过程,我们做以下假设:

功率开关管的寄生电容应满足C1=C2=Clead,C3=C4=Clag;

滤波电感足够大,满足Lf>>Lr/K²其中K为变压器原副边匝比;

输出滤波电容足够大,其电压可认为是恒压源。

▍工作模态分析

移相全桥的一个周期中包含12个工作模态,下面以半个周期(t0ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png~ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngt6)为例进行讲解,电路副边为全波整流电路。

▷工作模态1(t0ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png~ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngt1ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png):正半周期功率输出模式

ca8a624c-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png

t0时刻Q1ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png、Q4ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png导通且VABca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png处于恒定状态(VABca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png=ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngVin),原边电流ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngIpca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngQ1、Lrca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png、Q4ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png向负载供电,同时给结电容C2ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngC3充电。

变压器副边DR1ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png导通,ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngDR2ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png截止,DR1ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png、Lfca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png、Rdca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png构成供电回路。

滤波电感ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngLfca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png的电流在电压ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngVLf=Vin/n-V0的作用下线性增加。

▷工作模态2(ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngt1ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png~ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngt2ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png):超前桥臂谐振模式

cbb2317c-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png

ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngt1时刻ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngQ1关断,由于谐振电感Lrca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png的存在,电流Ipca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png不会突变,仍维持正向(A→B)流动,ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngIpca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngQ1中转移到C1和C2ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png支路中,对C1ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png充电并对C2ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png放电,C1ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png、C2ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngLr发生谐振。

由于ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngC1ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png、C2ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png的作用,ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngQ1零电压关断。 

由于谐振电感Lrca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png和原边等效滤波电感ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngLf串联,因而电感很大,可认为原边电流ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngIp近似不变,类似于一个恒流源。

▷工作模态3(t2ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png~ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngt3):原边电流钳位续流模式

cce34eaa-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png

t2时刻C1与C2充放电结束。此时C2两端电压为0,电流经D2续流,并将开关管Q2漏源极的电压箝位为0,此时便可实现Q2的零电压开通。

此时VAB为0,原边电流Ip仍按原方向继续流动,但是在不断减小。

▷工作模态4(t3ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png~ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngt4):滞后桥臂谐振模式

cd1316da-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png

t3时刻ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngQ4关断。Ipca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngQ4中转移到C3ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngC4支路中,对ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngC4充电并对ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngC3放电,谐振电感ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngLr和ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngC3、C4ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png发生谐振。由于有ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngC3和ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngC4ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png作用,ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngQ4零电压关断。

此时AB之间电压由0变为负(VABca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png=-ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngVC4),副边变压器感应电动势反向,使得整流二极管ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngDR2导通,ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngDR1和ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngDR2同时导通后将变压器的副边线圈短路。在此过程中ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngDR1中电流不断减小,ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngDR2中电流不断增大。

▷工作模态5(ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngt4ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png~ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngt5):谐振能量回馈电源模式

ce519e9a-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png

t4时刻ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngC3与ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngC4充放电结束。此时ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngVAB=-VC4ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png=-Vinca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png,D3导通续流,将开关管Q3漏源极的电压箝位为0,此时便可实现Q3的零电压开通。

体二极管D2ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png、D3ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png续流,将谐振电感ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngLr所储存的能量回馈给电源,变压器原边电流ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngIp线性减小。

▷工作模态6(ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngt5ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png~ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngt6):原边电流缓变模式

cefc4066-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png

t5时刻ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngIp将为零后向负向增大。此时ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngD2与ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngD3关断,ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngQ2和ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngQ3为原边电流提供通路。

此时原边电流仍不足以提供负载电流,副边绕组还处于短接状态。

因此原边绕组电压仍为零,电压Vinca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png全部施加在Lrca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png两端,ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png反向线性上升。

直到ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngt6时刻,ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngDR1与ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngDR2换流结束,ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngDR1截止,随后进入负半周期的功率输出模式(Q2、Q3稳定导通)。

负半周的工作过程与正半周期类似,在此不做讲解。关键问题分析

▍桥臂ZVS的实现

▷超前桥臂的ZVS实现

超前桥臂实现ZVS比较容易,因为其电容充放电过程由ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngLr与原边等效Lfca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png共同完成。

由于原边等效ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngLf很大,电流Ipca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png近似不变,相当于恒流源,所以超前桥臂的并联电容能够迅速充放电,这样即便在很宽负载电流下,也能实现ZVS。

同时,在PWM控制方法上要保证驱动信号的死区大于2CleadVin/Ipca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png

▷滞后桥臂的ZVS实现

滞后桥臂ZVS过程中副边处于短路状态,ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngLf与变压器原没有联系,只有ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngLr中的能量用来实现零电压开关。

但是,由于ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngLr远小于Lfca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png,其储存的能量有限,所以滞后桥臂的ZVS实现比较困难。

在变换器轻载或谐振电感较小时,若ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngLr中的能量无法满足电容充放电需求,滞后桥臂将无法实现ZVS。

要实现滞后桥臂ZVS,必须满足以下两个条件:

谐振电感储能大于参与谐振的滞后桥臂的结电容储能;

滞后桥臂开关的死区时间应小于或等于四分之一谐振周期(ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.pngLr与充放电电容)。

▍副边占空比丢失

ZVS移相全桥DC/DC变换器在滞后臂开关管关断后会出现副边占空比丢失现象。

此时原边电流反向,负载电流进入换向阶段,原边电流较小,不能供给负载电流,导致变压器副边两个整流管都导通,电压被二极管钳位至零电压。

这个时间段内会出现部分电压方波的丢失,如图所示,Dloss=D-Deffca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png

d0211d22-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png

影响占空比丢失的因素包括谐振电感、负载电流、变压器变比和输入电压。

增大谐振电感会加剧占空比丢失,但减小谐振电感不利于滞后臂开关管的ZVS过程,因此需要选择合适的Lrca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png

此外,减小变压器变比也可减少占空比丢失,但会增大开关管通态损耗以及副边整流二极管的耐压。

▍变压器磁芯饱和

在电路中,Q1ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png、Q4ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png导通时间不可能与Q2ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png、Q3ca53f108-42dd-11ee-8e12-92fbcf53809c.png完全相同,其通态压降也可能存在差异,所以变压器原边的电压不是一个纯粹的交流电压,它含有直流成分,这会导致变压器磁芯偏磁。

偏磁的积累将导致变压器磁饱和,使变压器不能正常工作,甚至造成元器件损坏。

在设计变压器原边电路时,在谐振电感后串接隔直电容可以防止变压器磁饱和。该电容能够自动消除正、反两个方向伏秒面积的不同,使变压器上只有交流电压分量,抑制直流分量。

选择电容时,建议其电压降约为变压器两端电压的10%。

▍副边整流二极管电压振荡

原边电流换向结束后,电源开始给负载供电,输出整流二极管反向恢复。

此时,变压器漏感、整流二极管结电容以及变压器绕组电容之间会发生高频谐振。

在整流管结电容充放电过程中,会出现寄生振荡,导致整流管的电压应力增加,缩短元件寿命,造成严重的电磁干扰。

为了减小副边寄生振荡,可以使用开关速度快、超快恢复、柔性系数大的二极管,或增加一些缓冲网络(如RC、RCD吸收网络)。

目前应用比较多的方法是在原边增加二极管钳位缓冲电路,它能抑制整流桥寄生振荡,减小二极管两端承受的尖峰电压。

基于移相全桥电路开发的隔离型DC-DC电源在电力系统工业测量系统、汽车电子装置、化工电解电镀、冶金、船舶以及军工等领域均有应用。

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 电路
    +关注

    关注

    170

    文章

    5479

    浏览量

    169436
  • 拓扑
    +关注

    关注

    4

    文章

    320

    浏览量

    29378
  • 电感
    +关注

    关注

    51

    文章

    5688

    浏览量

    101007
  • 数字电源
    +关注

    关注

    27

    文章

    468

    浏览量

    109113
  • DC
    DC
    +关注

    关注

    8

    文章

    3567

    浏览量

    677826
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    如何对PWM波进行任意的

    如何对PWM波进行任意的
    发表于 03-21 07:46

    毕设求助,的大电流电源,什么芯片合适?

    毕业设计,老板让我做一个的大电流电源,一天忙得要死,根本没什么时间写代码o(╥﹏╥)o,老铁们有没有什么用得好的芯片推荐一下? 有方案的话也可以推荐一下,需要时间短点的(同学
    发表于 02-05 15:01

    ADP1053给出的是BUCK电压馈电拓扑,是否也能设计BUCK电流馈电拓扑

    设计一款输入24V输出12V电源,采用ADI的数字芯片,拓扑采用两级的 先BUCK稳压+隔离非稳压。问题如下: 1. ADP1053的应用是支持这种拓扑的,但是是多路输出的,有没
    发表于 01-08 06:15

    【实操】DC-DC变换器快速设计与开发

    外围电路搭建与连接。 2)硬件平台搭建大家可根据前文介绍的参数设计方法进行电源拓扑的器件选型,再按照外围电路设计图搭建PWM驱动电路、采样电路以及保护电路并与电源控制核心进行连接。
    发表于 12-21 10:16

    一文详解pcb的组成和作用

    一文详解pcb的组成和作用
    的头像 发表于 12-18 10:48 477次阅读

    「分享」DC-DC变换器建模及仿真

    本篇我们将基于森木磊石自主研发的PPEC Workbench带领大家进行电路参数设计,并利用Simulink进行仿真模型搭建,验证变换器的工作状态。一、电路设计(一)
    发表于 12-04 11:12

    解决方案丨三PRCP开发套件实验系统方案

    设计使程序语言更直观更易理解,可使初学者快速掌握基本知识框架。二、三RCP开发套件组成
    发表于 11-16 16:26

    拓扑资料】拓扑组成及原理详解

    之前我们已经对数字电源的控制核心与外围电路进行了讲解,有漏掉或忘记了的朋友可以查看前面的内容复习哈,接下来我们就要开始对数字电源中常用的拓扑电路进行讲解了。提到电源拓扑,首先要说的就是
    发表于 11-16 15:18

    等离子消融手术系统的逆变输出电路设计方案

    为了提高等离子消融手术系统的频率输出,提出一种新型的拓扑结构。应用LCR谐振原理,对传统的逆变
    发表于 09-20 07:38

    逆变器的并联均流设计方案

    的差异,导致IGBT并联时电流不均衡。本文分析了带输出电抗器均流的三逆变器的并联均流特性,设计了输出电抗器参数,给出了仿真和试验结果,试验结果表明了对并联特性分析的合理性及有
    发表于 09-19 07:45

    UCC3895220V输入空载电流20MA开发管发热正常吗?

    UCC3895,220V输入空载电流20MA,开关管很热。
    发表于 08-01 10:28

    和板桥信号如何流动

    整流器
    学习电子知识
    发布于 :2023年07月18日 19:56:26

    了解毫米波“”--之三

    了解毫米波“”--之三 “”的实现 由于各信号的“相位”与信号的发射方向、叠加强度直接相关,所以“
    发表于 05-08 10:54

    逆变加闭环后的效果

    逆变
    游泳的鸟儿
    发布于 :2023年05月07日 08:09:34

    可以不加谐振电感吗?

    可以不加谐振电感吗?
    发表于 04-25 15:25