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移相全橋拓撲原理圖,移相全橋電路-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2024-11-05 

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移相全橋拓撲原理圖,移相全橋電路-KIA MOS管


移相全橋拓撲

移相全橋拓撲是一種用移相控制方式的DC-DC變換器拓撲結構。它利用功率器件的結電容和諧振電感的諧振,實現(xiàn)恒頻軟開關操作,從而有效降低開關損耗,提高轉(zhuǎn)換效率,減小裝置體積。


移相全橋拓撲主要通過調(diào)節(jié)對角兩個開關管的導通相位差(即移相角)來控制輸出電壓,具有控制簡單、適用范圍廣等優(yōu)點。移相全橋有零電壓開關(ZVS)和零電壓零電流開關(ZVZCS)兩種實現(xiàn)方式。


移相全橋拓撲的基本電路包括原邊全橋電路、變壓器和副邊整流電路。原邊全橋電路由四個功率開關管(Q1-Q4)組成,通過輸入直流源Vin供電,并包含輸入電容Cin和諧振電感Lr。副邊電路則根據(jù)應用需求選擇全波整流電路或全橋整流電路,通常包含整流二極管(DR1~DR4)、濾波電感Lf、濾波電容Cf以及負載Rd。


ZVS移相全橋電路原理圖

ZVS移相全橋電路能夠有效降低功率管開關損耗,提高開關頻率,減小裝置體積。電路控制方式簡單,適用于多種輸入電源和負載類型。其基本電路包括:原邊全橋電路、變壓器和副邊整流電路,參見下圖。常用副邊電路有全波整流電路(下圖(a))與全橋整流電路(下圖(b))。

移相全橋拓撲

全橋整流多適用于大功率場合,小功率場合可采用全波整流。


原邊全橋電路包含:輸入直流源Vin 、輸入電容Cin、功率開關管器件(Q1~Q4)以及諧振電感Lr ,其中體二極管(D1~D4)以及寄生結電容(C1~C4) 為功率開關器件的自有部分。為抑制變壓器磁飽和,部分電路會在Lr 后串聯(lián)隔直電容。


副邊電路包含:整流二極管(DR1~DR4)、濾波電感(Lf)、濾波電容(Cf)以及負載(Rd)。


工作原理

1、PWM控制方式

移相全橋電路分為超前橋臂(Q1、Q2)與滯后橋臂(Q3、Q4),同一橋臂的上下兩個開關管輪流導通,實現(xiàn)控制。

移相角:對角兩個開關管的導通相位差(0°~180°)??梢酝ㄟ^控制移相角的大小改變原邊輸出電壓占空比,從而調(diào)節(jié)輸出電壓。

死區(qū)時間:同一臂上下兩管的開通與關斷之間的間隔時間。

移相全橋拓撲

為便于分析電路工作過程,我們做以下假設:

1.功率開關管的寄生電容應滿足C1=C2=Clead,C3=C4=Clag;

2.濾波電感足夠大,滿足Lf>>Lr/K2其中K為變壓器原副邊匝比;

3.輸出濾波電容足夠大,其電壓可認為是恒壓源。


2、工作模態(tài)分析

移相全橋的一個周期中包含12個工作模態(tài),下面以半個周期(t0~t6)為例進行講解,電路副邊為全波整流電路。


工作模態(tài)1(t0~t1):正半周期功率輸出模式

t0時刻Q1、Q4導通且VAB處于恒定狀態(tài)(VAB=Vin),原邊電流Ip經(jīng)Q1、Lr、Q4向負載供電,同時給結電容C2、C3充電。

變壓器副邊DR1導通,DR2截止,DR1、Lf、Rd構成供電回路。

濾波電感Lf的電流在電壓VLf=Vin/n-V0的作用下線性增加。


工作模態(tài)2(t1~t2):超前橋臂諧振模式

在t1時刻Q1關斷,由于諧振電感Lr的存在,電流Ip不會突變,仍維持正向(A→B)流動,Ip從Q1中轉(zhuǎn)移到C1和C2支路中,對C1充電并對C2放電,C1、C2與Lr發(fā)生諧振。

由于C1、C2的作用,Q1零電壓關斷。

由于諧振電感Lr和原邊等效濾波電感Lf串聯(lián),因而電感很大,可認為原邊電流Ip近似不變,類似于一個恒流源。


工作模態(tài)3(t2~t3):原邊電流鉗位續(xù)流模式

t2時刻C1與C2充放電結束。此時C2兩端電壓為0,電流經(jīng)D2續(xù)流,并將開關管Q2漏源極的電壓箝位為0,此時便可實現(xiàn)Q2的零電壓開通。

此時VAB為0,原邊電流Ip仍按原方向繼續(xù)流動,但是在不斷減小。


工作模態(tài)4(t3~t4):滯后橋臂諧振模式

t3時刻Q4關斷。Ip從Q4中轉(zhuǎn)移到C3和C4支路中,對C4充電并對C3放電,諧振電感Lr和C3、C4發(fā)生諧振。由于有C3和C4作用,Q4零電壓關斷。

此時AB之間電壓由0變?yōu)樨摚╒AB=-VC4),副邊變壓器感應電動勢反向,使得整流二極管DR2導通,DR1和DR2同時導通后將變壓器的副邊線圈短路。在此過程中DR1中電流不斷減小,DR2中電流不斷增大。


工作模態(tài)5(t4~t5):諧振能量回饋電源模式

t4時刻C3與C4充放電結束。此時VAB=-VC4=-Vin,D3導通續(xù)流,將開關管Q3漏源極的電壓箝位為0,此時便可實現(xiàn)Q3的零電壓開通。

體二極管D2、D3續(xù)流,將諧振電感Lr所儲存的能量回饋給電源,變壓器原邊電流Ip線性減小。


工作模態(tài)6(t5~t6):原邊電流緩變模式

t5時刻Ip將為零后向負向增大。此時D2與D3關斷,Q2和Q3為原邊電流提供通路。

此時原邊電流仍不足以提供負載電流,副邊繞組還處于短接狀態(tài)。

因此原邊繞組電壓仍為零,電壓Vin全部施加在Lr兩端,反向線性上升。

直到t6時刻,DR1與DR2換流結束,DR1截止,隨后進入負半周期的功率輸出模式(Q2、Q3穩(wěn)定導通)。

負半周的工作過程與正半周期類似。


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