LLC移相全桥

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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