全桥变换器主电路分析

全桥变换器主电路分析

王振存

2006.04

1.电源概述

本电源，额定电流1000A。主电路采用全桥拓扑结构，两路并联的供电方式。主电路原理框图如图1所示。

2. 输入整流滤波电路的设计

电源交流输入采用三相三线输入方式，经三相桥式整流器输出脉动直流，经直流母线滤波供给后级功率变换电路。输入整流电路如图2所示。

图 1

对图中元件说明如下：

D1-D6：三相整流桥，PE：输入端保护熔断器，PV压敏电阻；

R56缓起电阻，C5、C6、C7：共模滤波电容；

KA：接触器，C8直流母线滤波电容：

为限制刚开始投入时电解电容充电产生的电流浪涌，在输入整流电路增加了缓起电路。具体工作原理是，电源经外部加电，此时A、C线电压经R56、R55、D1、D2、D5、D6给电容充电，直流母线电压慢慢上升，上升到辅助电源启动电压时，辅助电源工作控制板得电将接触器闭合，将R56、R55短路，缓起动过程结束。

输入滤波电容的选择过程如下：取整流滤波后的直流电压的最大脉动值为低

交流峰值电压的10％，按照下面步骤计算电容的容量：

● 输入电压的有效值%10380±V 即342V ～418V; ● 输入交流电压峰值：482V ～591V ；

● 整流滤波后直流电压的最大脉动值：V V 2.4810482％＝⨯; ● 整流后直流电压的范围：433.8V ～542.8V ； ● 电源总功率按50KW 计算则等效电阻为Ω==

76.350000

8.4332

L R ;

● 一般取放电时间常数τ=R L C=(3~5)T/6故最小电容F

C μ265076

.301.0==

；

3. 全桥逆变电路工作状况分析

3.1 工作模态分析

电源由全桥逆变器和输出整流滤波电路构成。全桥逆变器的主电路如图2所示，由四功率管Q1~Q4及其反并二级管D1~D4,和输出变压器（L LK 为主变压器漏感），吸收电路，隔直电容等组成。

LD

R V 图2

在一个开关周期中，电流连续的情况下，全桥变换器共有有4种开关模态。

在t0时刻，对应于图3（a ）。Q1、Q4导通。电压经Q1、Q4、C3、加到变压

器原边。如不考虑Q1、Q4导通压降，同时认为C3短路，有

dt

dB A

N V in 1=

能量通过变压器传输到负载。DR1导通，次级电流对磁芯起去磁作用，初级电流仅有很小部分用来磁化磁芯。根据变压器原理，次级在初级的反射电流为

22'

21

i N N i =

如果激磁电感L m 为常数，激磁电流线性增长，并等于初级电流与次级电流之差：

21

21'

21i N N i i i t L V i m

in m -

=-==

（2）开关模态1

在t 1时刻，对应于图3（b ）。Q 1、Q 4关断。此时原边电流为最大值，由于变压器漏感L lk 和次级电感的作用，原、副边电流方向不变，从而使D3、D2续流，变压器原边绕组反激，从而使副边绕组感应电势极性反向，DR2导通，流过DR1的电流减小。当DR1和DR2电流相等时，变压器副边合成磁势为零，于是变压器原边绕组中电流也降为零，此过程结束。 （3）开关模态2

在t 2时刻，对应于图3（c ）。Q 2、Q 3导通。T r 初级的异名端电压为高电平，T r

次级的异名端也力图为高电平。但由于二极管DR2阴极与正流过一半输出电感电流的二极管DR1的阴极相连，在二极管DR2电流增加到能抵消二极管DR1正向电流之前，二极管DR1仍呈低阻导通状态。

次级的低阻抗使变压器的初级也呈低阻抗。但由于变压器漏感与初级串联，它阻止初级电流增加，这一过程一直持续到二极管DR1的电流下降到零，在这一过程中Q 2、Q 3维持饱和导通。

二极管DR1在电流降为零后的反向恢复时间内仍呈低阻抗状态。若反向恢复时间为t r ，则初级电流会产生过冲(lk r in L t V /)这种过冲电流会使开关管脱饱和，造成降级甚至损坏。

另外，输出二极管快恢复时其寄生电容和输出电感谐振，这会引起输出二极管阴极的正弦衰减振荡，即振铃现象，其首半个周期产生的振幅可能超过二极管

稳定反压的两倍以上，而使二极管损坏。 （3）开关模态3

在t 3时刻，对应于图3（d ）。Q 2、Q 3关断。同开关模态1。 （4）开关模态4

在t 4时刻，对应于图3（a ）。Q1、Q4导通。同开关模态2 3.2 缓冲电路设计 3.2.1缓冲电路分析

上面分析时，其实是假设开关管开通、关断都是瞬间完成的，但实际情况开关管关断时刻下降的电流和上升的电压有重叠时间，所以会有较大的关断损耗。在使用变压器与开关管串联的拓扑中(buck 变换器除外)，由于变压器漏感的影响，在导通瞬间，变压器漏感很大的瞬间阻抗使开关管两端电压迅速下降到零，并减缓了电流的上升率。因此开关管导通时在电流上升的大部分时间里开关管两端的电压基本为零。由电流、电压重叠引起的导通损耗可以忽略。开关管关断时电压和电流的重叠引起的损耗是开关电源损耗的主要部分，即开关管关断时间内的()()dt t V t I ⎰。缓冲电路主要有以下作用：

1. 减小电压和电流过冲；

2. 限制dv/

和di/dt ；

3. 改善开关管工作轨迹；

4. 减少开关损耗；

5. 减少EMI 。

图3为本电源单个桥臂的换流过程等效电路图，其中Ls 为直流母线布线电感，其值可以按下式进行计算：

7

10432ln 2-∙⎪⎭⎫ ⎝

⎛-=d l l L

式中，l 为导线长度(m)，d 为导线直径（m ）。

L ‘

f 、R ’LD 分别为变压器副边折算到原边等效电感和电阻。假定续流二极管D1、D3的开通延时为t DON ,开关管Q1向二极管D3换流为例，来分析。