全桥变换器原理及设计

• 实际广泛采用PWM，因为定频PWM开关时：输出电压中的谐
波频率固定，滤波器设计容易，开关过程所产生的电磁干扰易控制；控 制系统易实现。
• 移相控制方式：一个桥臂的两个开关管的驱动信号180度互补导
通且中间有死区，两个桥臂的导通角相差一个相位，即移相角。通过调 节移相角的大小来调节输出电压。
2 PS-FB ZVS-PWM DC/DC变换器工作过程
DR1
DR2
id6 iD7 iDR2
t2
t4
t5
图3.1 副边整流二极管换流波形
3.4输出整流管的寄生振荡
• 整流桥的寄生振荡产生于变压器的漏感Lr与变压器绕组 电容和整流管的结电容之间。
• 减小副边寄生振荡: – RC、RCD缓冲电路 – 原边侧加二极管箝位缓冲电路等
4主电路参数设计
• 下面分别给出PWM控制和ZVS PWM控制全桥电路的主要 参数设计过程。
Q1 D2 Q4 D3
软 开 软开
关 通 关通
断 Q2 断 Q3
ZVS
ZVS
开通
开通
Q2 D1 Q3 D1
Q1
软开 关 开
软
关通 断 通
关
断
Q1
Q4
断
ZVS
ZVS
开通
开通
3 PS-FB ZVS-PWM变换器一些问题
3.1两桥臂实现ZVS的差异 • 要实现ZVS开通，必须要有足够的能量来抽走将要开通的开关管并联 电容上的电荷，并给同一桥臂将要关断开关管并联电容充电。
全桥变换器的原理与设计
主要内容
• 1 全桥、PS-PWM控制概念 • 2 PS-FB ZVS-PWM DC/DC变换器工作原理 • 3 移相全桥ZVS PWM 直流变换器关键问题 • 4 主电路参数设计 • 5小信号模型建立方法
1 全桥、PS-PWM控制概念之一
单管、双管、四管（电压电流定额相同） 变换器输出功率比较
D1 C1
D3 C3
Q1
Q3
C Lf D5 D7
T
A
Lr
Cb
Vin
Cf
B
D2 C2
D4 C4
Q2
Q4
K:1 D6
D8 D
图2.1 PS-FB ZVS-PWM DC/DC变换器原理图
• C1~C4开关管外并电容或寄生电容 • Lr串联电感或变压器漏感 • Cb隔直电容，隔直电压一般为电源电压的10%
Vo Rload
• 由Dloss计算式可知：Lr越大， Dloss越大；Vin越低， Dloss越大。 • Dloss的产生使得Dsec减小，为了在副边得到要求的电压，就要减小变
压器匝比。而K的减小带来两个问题：①原边电流增加，开关管峰值电 流增加，通态损耗增加；②副边整流管耐压增加。
D I 1 D I 4Lr
Cf
Rload
周期输出电压的占空
比
5.1 BUCK变换器建模
VD Vi
0
Ton
Ts
t
图5.2 Buck变换器
5.2全桥小信号模型
图5.3 全桥小信号模型
• d是半个周期输出电压占空比 • 其中Rds是考虑开关导通电阻和占空比损失时的等效阻抗
建立小信号模型的目的是用于控制电路的设计
5.3闭环控制模型
Uc
d
Ug
Uo Uf
Vin/n
谢谢！
Vin/2
A
B
Q1
D1
D1 Q1 C1 Vin/2
A Vin
B
Vin/2
D2
C2
Q2
D1 Q1
D3 Q3
A Vin
B
D2 Q2
D4 Q4
Vin/2
Ts/2
0
Ton
Ts
t
Vo=DVin/4
Vin/2
Ts/2
0
Ton
Ts
t
Vo=DVin/2
D=2Ton/Ts
Vin
Ts/2
0
Ton
Ts
t
Vo=DVin
1 全桥、PS-PWM控制概念之一
• 超前臂：输出滤波电感Lf与谐振电感Lr是串联的，用来实现ZVS的能 量是Lf与Lr中能量之和。---较易
• 滞后臂：变压器副边是短路的，用来实现ZVS的能量只是谐振电感Lr 中的能量。---较难
3.2副边占空比丢失
• 副边占空比丢失是PS-ZVS-PWM变换器中的一个特有现象：副边占空 比Dsec小于原边占空比D，其差即是占空比损失Dloss。图中阴影部分 即是副边丢失的电压方波。
工作过程(续)
Q1
Q2
Q1
Q4
Q3
Q4
ip
I0
I2
VAB
0
Vin
Vrect 0
Vin/K
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12
Q1 D2 Q4 D3
软 开 软开
关 通 关通
断 Q2 断 Q3
ZVS
ZVS
开通
开通
Q2 D1 Q3 D1
Q1
软开 关 开
软
关通 断 通
Lr
loss
KVinT o K 2Lf
4 Lr KVinT o
3.3整流二极管的换流
• 全桥整流 – 优点：反向电压低(Vsec) – 缺点：成本高，压降大
• 全波整流 – 优点：成本低，压降小 – 缺点：反向电压高(2Vsec)
C Lf
D5
D7
Cf
Vo Rload
D6
D8
D
iD5 iD8 iDR1
D1 Q1
D3 Q3
C Lf D5 D7
A Vin
T Cf
D2 Q2
B
D4 Q4
K:1 D6
D8 D
Vo Rload
VAB
Vin
Vsec
Vin/K
VCD
VO 0
Vin/K
DVin/K Ton
Vin Vin/K Vin/K
Ts/2
t
图1.1 DC/DC全桥变换器及其基本工作波形
• 功率开关管的电压和电流定额相同时，变换器的输出功率通 常与所用功率开关管数成正比，即双管隔离型直流变换器的 输出功率为单管的两倍，为四管全桥变换器的一半。
5小信号模型建立方法
D1 C1
D3 C3
Q1
Q3
A
Lr
Cb
Vin
B
D2 C2
D4 C4
Q2
Q4
Vin/K
Q
图5.1
C Lf D5 D7
T
Vo • 全桥变换器可以等效
Cf Rload 成BUCK变换器(忽略
K:1 D6
D8 D
变压器漏感) • 全桥开关管周期是等
效BUCK变换器开关
Lf
周期的一半。
Vo • D是指全桥变换器半个
软 开 软开
关 通 关通
断 Q2 断 Q3
ZVS
ZVS
开通
开通
Q2 D1 Q3 D1
Q1
软开 关 开
软
关通 断 通
关
断
Q1
Q4
断
ZVS
ZVS
开通
开通
工作过程(续)
Q1
Q2
Q1
Q4
Q3
Q4
ip
I0
I2
VAB
0
Vin
Vrect 0
Vin/K
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12
• 推荐应用于在中大功率的一次电源中。
•
Q1&D1~Q4&D4构成两个桥臂， D是占空比：
D
Ton
Ts / 2
1 全桥、PS-PWM控制概念之二
• PWM(脉冲宽度调制Pulse Width Modulation)：保持Ts不变， 改变Ton调控输出。
• PFM(脉冲频率调制Pulse Frequency Modulation):保持Ton 不变 ，改变Ts 调控输出。
关
断 Q1
Q4
断
ZVS
ZVS
开通
开通
工作过程(续)
Q1
Q2
Q1
Q4
Q3
Q4
ip
I0
I2
VAB
0
Vin
Vrect 0
Vin/K
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12
Q1 D2 Q4 D3
软 开 软开
关 通 关通
断 Q2 断 Q3
ZVS
ZVS
开通
开通
Q2 D1 Q3 D1
ZVS
ZVS
开通
开通
Q2 D1 Q3 D1
Q1
软开 关 开
软
关通 断 通
关
断
Q1
Q4
断
ZVS
ZVS
开通
开通
工作过程(续)
Q1
Q2
Q1
Q4
Q3
Q4
ip
I0
I2
VAB
0
Vin
Vrect 0
Vin/K
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12
Q1 D2 Q4 D3
Q1
软开 关 开
软Leabharlann Baidu
关通 断 通
关
断 Q1
Q4
断
ZVS
ZVS
开通
开通
工作过程(续)
Q1
Q2
Q1
Q4
Q3
Q4
ip
I0
I2
VAB
0
Vin
Vrect 0
Vin/K
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12
Q1 D2 Q4 D3
软 开 软开
关 通 关通
断 Q2 断 Q3