软开关全桥变换器工作过程分析报告

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軟開關全橋變換器工作過程的詳細分析

ENG 王同新

軟開關移相控制全橋變換器主電路原理圖如下﹕

其一個開關周期全過程實際上存在著十二個不同的工作過程﹒除了正半周与負半周的兩個功率輸出過程和兩個鉗位續流過程（簡稱四個緩變階段）之外﹐還有四個諧振過程﹕超前臂器件從死區時間Δt1開始的諧振与換流過程﹐滯后臂器件從死區時間Δt2開始的諧振与換流過程﹔還有原邊電感儲能返回電网過程﹐主變壓器原邊電流上沖或下沖過零點結束急變過程﹐以及副邊整流管輸出電流的相應變化過程﹐副邊輸出電壓占空比丟失等﹒

工作原理波形圖如下﹕

展寬的約一個周期的主要波形和相位關系圖如下﹕

1﹒(t0~t1):原邊電流ip正半周功率輸出過程

在t0之前﹐S1和S4已導通﹐并在t0~t1都維持S1和S4同時導通﹐而S2和S3截止﹒在此期間UA=Ec﹐UB=0﹐U AB=Ec﹐UAB加在原邊繞組兩端﹐使原邊電流從I1線性緩升﹐電网的能量不斷轉化為磁能儲存于電感線圈和送到負載﹐表現為原邊電流和副邊電流的不斷增大﹒在t1時刻原邊電流升高到最大值Ip:

式中﹐Lr是原邊漏感与外加諧振電感之和﹔是副邊輸出濾波電感折算到原邊的電感量﹔n為變壓器原副邊匝數比﹔>>Lr﹒

2﹒(t1~t’1)﹕超前臂諧振過程(在死區時間Δt1內)

此時S1,S2,S3都截止﹐只有S4導通﹐原邊電流維持原方向繼續由左向右流動﹐C1快速充電﹐C3快速放電﹐它們与等效電感()發生串聯諧振﹐使UA快速降低﹐ip在t1時刻

有一個明顯跌落﹐還引起高頻震蕩雜波﹒諧振結束時(在t2之前)﹐實際上諧振電壓已使Uc3降到-0.7V﹐此時D3導通﹐把S3兩端的電壓拑位在零電平﹐為Δt1結束后超前臂S3實現零電壓開通准備了必要條件﹒急劇減少到零的原邊電壓U AB使副邊感應電壓也急劇減少至零﹐而副邊電流仍維持原方向緩慢衰減﹒整流二极管DR1導通電流開始減少﹒

3﹒(t’1~t3)﹕ip正半周拑位續流過程

此時﹐S3零電壓導通﹐UA=0﹐UB=0﹐U AB=0﹔ip緩降至I2﹐i DR1緩降至Ib﹒

4﹒(t3~t4)﹕S4關斷后滯后臂諧振過程

t3時刻S4由導通變為截止﹐原邊電流不會突然轉變方向﹐因此會給C4充電﹐同時C2中的電荷被抽走﹐變壓器原邊電壓极性變為上正下負﹐使副邊极性變為下負上正﹐DR2導通﹐副邊電流不會突然消失﹐DR1也還導通﹐DR1和DR2的同時導通使副邊電壓拑位到1.4V﹐對于副邊繞組近似被短路﹐從副邊反射到原邊的電感量被切斷﹐使原邊參与与C2,C4諧振的電感量只剩下Lr﹐而此時UAB=-Ec全部施加在小電感

Lr上﹐故原邊電流ip以最大變化率從正峰值I2急速下沖降低﹐t5時刻減少到零﹐並繼續按此變化率負向下沖到-I1值﹒5﹒(t4~t5)﹕正半周電感儲能返回電网

此時﹐C2,C4与Lr的串聯諧振結束﹐D2導通續流﹐把S2兩端電壓拑位到零電平﹐為S2的零電壓導通創造了條件﹒同時D2的導通續流使開始下沖的原邊電流又經D2返回到電源Ec﹐補償了電网在全橋電路上的功耗﹒滯后臂死區時間應在(t4~t5)結束﹐既S2應在此期間內導通﹒

6﹒(t5~t6)﹕原邊電流下沖過零點后開始負向增大

此時﹐S1和S4截止﹐S2和S3導通﹒t5時刻原邊電流下沖過零點后﹐D2和D3自然關斷﹐形成新的供電通路

Ec~S2~Lr~S3~Gnd﹐為下一步即將開始的負半周功率輸出階段創造了條件﹒這時﹐iDR1急劇減小﹐iDR2急劇增大﹐仍將副邊繞組兩端拑位在低電平﹒

7﹒(t6~t7)﹕原邊電流ip負半周功率輸出過程

此時S2和S3導通﹐S1和S4截止﹐電网能量全部轉移

到輸出濾波電感和負載上﹒原副邊電流緩增至最大﹒

8﹒負半周超前臂諧振過程

t7時刻S3由導通變為截止﹐C3充電﹐C1放電﹐C1和C3与等效電感串聯諧振﹐使Uc3電壓升至Ec﹐D1導通拑位使S1兩端電壓為零﹐為S1的零電壓導通創造了條件﹒

9﹒(t’7~t9)﹕ip負半周拑位續流過程

在t8時刻﹐S1實現零電壓導通﹒t8后因全橋兩臂上管同時導通﹐維持兩臂中點電壓均等于Ec,故E AB=0﹒這時原邊電流和副邊電流都維持原方向緩慢衰減﹒

10﹒(t9~t10)﹕ip負半周滯后臂諧振過程

在t9時S2由導通變為截止﹐C2充電﹐C4放電﹐D4導通拑位﹐UB=0﹒副邊极性變為反向﹐DR1開始導通﹐DR2仍導通輸出較大電流﹒等效電路如下﹕

11﹒(t10~t11)﹕原邊電感儲能迅速返回電网﹐ip上沖過零

此時由于DR1和DR2的同時導通使副邊近似短路﹐從而

切斷了反射電感﹐原邊電感量劇減為Lr﹐Ec全部加在Lr上﹐使ip從負峰值急減﹐反向上沖﹒

12﹒(t11~t12)﹕原邊電流上沖過零點后﹐仍急劇正向增大

t11時結束能量回送電网﹐上沖的原邊電流過零點﹐此時D4和D1自然關斷﹒t11后S1和S4都導通﹐原邊電流繼續上沖﹐副邊電流急降至零﹐為t12之后即將開始的正半周功率輸出過程准備了必要條件﹒

小結﹕零電壓開關又稱軟開關﹐包括軟開通和軟關斷﹒普通PWM變換器是改變驅動信號脈沖寬度來調節輸出電壓﹐它在功率管開關期間存在很大損耗﹐故硬開關電源的尖刺干扰大﹐可靠性差﹐效率低﹒而移相控制全橋軟開關電源﹐是通過改變全橋兩臂對角線上下管驅動電壓移相角的大小來

調節輸出電壓﹐讓超前臂管柵壓領先于滯后臂管柵壓一個相位﹐並在IC控制端對同一橋臂的兩個反相驅動電壓設置不同的死區時間﹐巧妙利用變壓器漏感和功率管輸出端結電容和原副邊之間寄生電容來完成諧振過程﹐實現零電壓開通﹐就能錯開功率器件大電流与高電壓同時出現的硬開關狀態﹐抑制感性關斷電壓尖峰和容性開通時管溫過高﹐減少了開關