LLC移相全桥

移相全桥学习笔记

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。

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。

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

R L: 移相全桥电源次级负载

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=C lead，C3=C4=C lag。

次级续流电感通过匝比折算到初级的电感量L S`远远大于谐振电感的感量L r即L S=L r*n2》L r。

PS FB一个周期可以分为12中工作模态，其中正负半周期是对应的关系，只不过改变的是电流在桥臂上的流向，下面我们首先来分析这12个工作模态的情况，揭开移相全桥的神秘面纱。

工作模态一：正半周期功率输出过程

如上图,此时T1与T4同时导通，T2与T3同时关断，原边电流的流向是T1—Lp—Lk —T4,如图所示。

此时的输入电压几乎全部降落在图中的A,B两点上，即U AB=V in, 此时AB两点的电感量除了图上标示出的Lp与Lk之外，应该还有次级反射回来的电感L S`（因为此时次级二极管VD1是导通的），即L S`=n2* L f,由于是按照匝比平方折算回来，所以L S`

会比Lk大很多，导致Ip上升缓慢，上升电流△Ip为

△Ip=(Vin-n*Uo)*(t1-t0)/( Lk+ L S`)

Vin-n*UO 是谐振电感两端的电压，就是用输入电压减去次级反射回来的电压

此过程中，根据变压器的同名端关系，次级二极管VD1导通，VD2关断，变压器原

边向负载提供能量，同时给输出电感L f与输出电容C f储能。（图中未画出）

此时， U C2 =U C3=U A=U AB=V in

U B=0V

工作模态二：超前臂谐振过程

如上图，此时超前桥臂上管T1在t1时刻关断，但由于电感两端电流不能突变的特性，变压器原边的电流仍然需要维持原来的方向，故电流被转移到C1与C2中，C1被充电，电压很快会上升到输入电压Vin，而C2开始放电，电压很快就下降到0，即将A点的电位钳位到0V。

由于次级折算过来的感量L S`远远大于谐振电感的感量L k，故基本可以认为此是的原边类似一个恒流源，此时的ip基本不变，或下降很小。

C1两端的电压由下式给出

Vc1=Ip*(t2-t1)/(C1+C3)= Ip*(t2-t1)/2 C lead

C2两端的电压由下式给出

Vc1= Vin- 【Ip*(t2-t1)/2 C lead】

其中Ip是在模态2流过原边电感的电流，在T2时刻C1上的电压很快上升到Vin，C2上的电压很快变成0V，D2开始导通。

在t2时刻之前，C1充满电，C2放完电，即 V C1= V C3= Vin V C2=V A=V B= 0V

模态2的时间为

△t= t2-t1=2 C lead * Vin/ Ip

工作模态三：原边电流正半周期钳位续流过程

如上图，此时二极管D2已经完全导通续流，将超前臂下管T2两端的电压钳位到0V，此时将T2打开，就实现了超前臂下管T2的ZVS开通；但此时的原边电流仍然是从

D2走，而不是T2。

此时流过原边的电流仍然较大，等与副边电感L f的电流折算到原边的电流

即 i p(t)= i Lf(t)/n

此时电流的下降速度跟电感量有关。

从超前臂T1关断到T2打开这段时间t d，称为超前臂死区时间，为保证满足T2的

ZVS开通条件，就必须让C3放电到0V，即

t d≥△t= t2-t1=2 C lead * Vin/ Ip

此时， U C1=U C3=V in ，U A=U B=U AB=0V