全桥变换器原理及设计

全桥变换器的原理与设计主要内容1全桥、PS-PWM控制概念2PS-FBZVS-PWMDC/DC变换器工作原理3移相全桥ZVSPWM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0TonTsTs/2tVin/20TonTsTs/2tVin/20TonTsTs/2tVinQ1Q2Q3Q4D1D3D2D4VinABC2Q1Q2D1C1D2VinABVin/2Vin/2Q1D1Vin/2BAVo=DVin/4Vo=DVin/2Vo=DVinD=2Ton/Ts1全桥、PS-PWM控制概念之一VOVABVsecVCDVinVinVin/KVin/KVin/KVin/KDVin/KTonTs/20tTQ1VoQ2Q3Q4D1D3D2D4D5D6D7D8VinK:1LfCfRloadABCD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。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：图1.1DC/DC全桥变换器及其基本工作波形/2onsTDT1全桥、PS-PWM控制概念之二PWM(脉冲宽度调制PulseWidthModulation)：保持Ts不变，改变Ton调控输出。PFM(脉冲频率调制PulseFrequencyModulation):保持Ton不变，改变Ts调控输出。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。2PS-FBZVS-PWMDC/DC变换器工作过程TQ1VoQ2Q3Q4D1D3D2D4D5D6D7D8C1C3C2C4VinLrCbK:1LfCfRloadABCD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%图2.1PS-FBZVS-PWMDC/DC变换器原理图工作过程(续)Q1Q2Q3Q40t0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12VrectVAB0ipVin/KVinQ1软关断Q2软关断Q1软关断Q4软关断Q3关断Q2ZVS开通Q1ZVS开通Q1Q4D2开通D1开通I2Q3ZVS开通Q4ZVS开通D3开通D1开通I0工作过程(续)Q1Q2Q3Q40t0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12VrectVAB0ipVin/KVinQ1软关断Q2软关断Q1软关断Q4软关断Q3关断Q2ZVS开通Q1ZVS开通Q1Q4D2开通D1开通I2Q3ZVS开通Q4ZVS开通D3开通D1开通I0工作过程(续)Q1Q2Q3Q40t0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12VrectVAB0ipVin/KVinQ1软关断Q2软关断Q1软关断Q4软关断Q3关断Q2ZVS开通Q1ZVS开通Q1Q4D2开通D1开通I2Q3ZVS开通Q4ZVS开通D3开通D1开通I0工作过程(续)Q1Q2Q3Q40t0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12VrectVAB0ipVin/KVinQ1软关断Q2软关断Q1软关断Q4软关断Q3关断Q2ZVS开通Q1ZVS开通Q1Q4D2开通D1开通I2Q3ZVS开通Q4ZVS开通D3开通D1开通I0工作过程(续)Q1Q2Q3Q40t0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12VrectVAB0ipVin/KVinQ1软关断Q2软关断Q1软关断Q4软关断Q3关断Q2ZVS开通Q1ZVS开通Q1Q4D2开通D1开通I2Q3ZVS开通Q4ZVS开通D3开通D1开通I03PS-FBZVS-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。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。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。2inin441rrrfLLLlossooKVTKVTKLDIDI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)VoD5D6D7D8LfCfRloadCDDR1DR2iD5iD8id6iD7iDR1iDR2t2t4t5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ZVSPWM控制全桥电路的主要参数设计过程。5小信号模型建立方法TQ1VoQ2Q3Q4D1D3D2D4D5D6D7D8C1C3C2C4VinLrCbK:1LfCfRloadABCDVin/KVoLfCfRloadQ全桥变换器可以等效成BUCK变换器(忽略变压器漏感)全桥开关管周期是等效BUCK变换器开关周期的一半。D是指全桥变换器半个周期输出电压的占空比图5.15.1BUCK变换器建模图5.2Buck变换器0VDViTsTont5.2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图5.3全桥小信号模型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UcUgUfUodVin/n谢谢！