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                移相全橋ZVS PWM直流變換器

                在早期的大功率電源(輸出功率大于1KW)應用中,硬開關全橋(Full-Bridge)拓撲是應用最為廣泛的一種,其特點是開關頻率固定,開關管承受的電壓與電流應力小,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。但受制于開關器件的損耗,無法將開關頻率提升以獲得更高的功率密度。例如:一個5KW的電源,采用硬開關全橋,即使效率做到92%,那么依然還有400W的損耗,那么每提升一個點的效率,就可以減少50W的損耗,特別在多臺并機以及長時間運行的系統中,其經濟效益相當可觀。文章來源:http://www.xudaoyu.cn/bl/392.html
                隨后,人們在硬開關全橋的基礎上,開發出了一種軟開關的全橋拓撲——移相全橋(Phase-Shifting Full-Bridge Converter,簡稱PS FB),利用功率器件的結電容與變壓器的漏感作為諧振元件,使全橋電源的4個開關管依次在零電壓下導通(Zero voltage Switching,簡稱ZVS),來實現恒頻軟開關,提升電源的整體效率與EMI性能,當然還可以提高電源的功率密度。利用移相(Phase Shifting,PS)來實現脈寬調制(PWM),調節輸出電壓;并實現零電壓(ZVS)開通減小開關損耗。
                移相全橋的拓撲圖
                上圖是移相全橋的拓撲圖,各個元件的意義如下:
                Vin:輸入的直流電源
                T1-T4:4個主開關管,一般是MOSFET或IGBT
                        T1,T2稱為超前臂開關管,T3,T4稱為滯后臂開關管
                C1-C4:4個開關管的寄生電容或外加諧振電容
                D1-D4:4個開關管的寄生二極管或外加續流二極管
                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、下開關管導通時間關系和死區時間  全橋分為左、右兩半橋,同一半橋的上、下兩功率開關管輪流導通。為使變壓器一次側可獲得最大平均電壓,每管導通時間Ton應接近于(略小于)0.5T,T為開關周期,占空比賂小于0.5。為了實現ZVS和防止因上、下兩開關管共態導通而造成輸入電壓Ui短路和燒管危險,應有“死區時間”(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管,只有都導通時才能將直流輸入電壓Ui加在變壓器一次側。V1、V4都導通時,Ui正向加在變壓器一次側a、b兩端(見圖5-48a,圖中以S1、S4代替開關管)。V2、V3都導通時,Ui反向加在變壓器一次側g a、b兩端(見團5-48f)。這樣反復,變壓器獲得交流電壓。Cb為一次側隔直(Blocking)電容,防止脈寬不對稱時變壓器有直流磁化。二次交流電壓經VD5、VD6整流,Lo、Co濾波后,輸出直流電壓Uo。
                    3)移相控制實現脈寬調制(PWM)  每只開關管的導通時間(驅動脈寬)不變,橋的對角線上兩管導通時間的相位差可變,稱為移相。
                因為是做理論分析,所以要將一些器件的特性理想化,具體如下:
                1、    假設所有的開關管為理想元件,開通與關斷不存在延遲,導通電阻無窮;開關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,變壓器也為理想變壓器,不存在漏感與分布參數的影響,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。
                次級續流電感通過匝比折算到初級的電感量LS`遠遠大于諧振電感的感量Lr,即LS`=Lf*n2》Lr。
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