移相全桥ZVS变换器

移相全桥ZVS变换器I.移相全桥ZVS变换器的控制目标II.移相全桥ZVS变换器的拓扑分析III.次级有源钳位移相全桥变换器IV.移相全桥ZVS变换器的控制实现PartⅠ移相全桥ZVS变换器的控制目标DCDC大功率高效能的DC/DC变换通过全桥拓扑实现大功率的能量变换通过移相控制实现零电压开关（ZVS）1QinV2Q3Q1SD2SD3SD1SC2SC3SC1D2D3D4DlkL1ToLoCoR4Q4SD4SCABACDCDC1QinV2Q3Q1SD2SD3SD1SC2SC3SC1D2D3D4DlkL1ToLoCoR4Q4SD4SCABAC全桥变换器————功率等级移相控制————控制策略ZVS软开关————开关方式Keyword：全桥变换器•DC/DC变换器有很多拓扑，如buck、boost等，对应着各自的应用功率等级•一般认为，功率等级和开关器件的数量成正比•在中大功率场合首选全桥变换器移相控制•移相控制——使用50%占空比PWM驱动四个开关管，其中同一桥臂的驱动电压互补，相位相差180度，而超前臂和滞后臂之间相差一个相位角，通过调节该相位角大小来调节输出电压。1QinV2Q3Q1SD2SD3SD1SC2SC3SC1D2D3D4DlkL1ToLoCoR4Q4SD4SC1Q4Q2Q3Q1Q4QABVinVinVinVZVS软开关•ZVS软开关——在功率管开通和关断的过渡时间里，为避免两端电压和流过电流的重叠（产生开关损耗），置两端电压为零，即零电压开关（Zero-Voltage-Switching，ZVS）ceudi()lossPon()lossPoffceudi()lossPon()lossPoffceuPartⅡ移相全桥ZVS变换器的拓扑分析Q1~Q4为开关管Ds1~Ds4为开关管反并联二极管Cs1~Cs4为开关管的寄生或外接电容T1为高频变压器Llk为变压器漏感或串联电感1QinV2Q3Q1SD2SD3SD1SC2SC3SC1D2D3D4DlkL1ToLoCoR4Q4SD4SCAB移相全桥ZVS变换器主电路拓扑D1~D4为次级侧整流二极管Lo为输出滤波电感Co为输出滤波电容Ro为输出负载电路构成同一桥臂上下开关管180度互补导通Q1、Q2分别超前Q4、Q3一定相角度导通一般称Q1、Q2为超前臂，Q3、Q4为滞后臂1QinV2Q3Q1SD2SD3SD1SC2SC3SC1D2D3D4DlkL1ToLoCoR4Q4SD4SCAB移相全桥ZVS变换器主电路拓扑桥臂区分超前臂滞后臂一个开关周期可分为12个工作模态（t0~t12）由于全桥变换器拓扑的对称性，其前后半周呈反相位对称，故只须对变换器的前6个工作模态进行分析。模态分析1Q4Q2Q3Q1Q4QoLIpIABVsecVinVinVn0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t在此期间，Q1和Q4导通次级侧输出电感Lo耦合至一次侧原边电流Ip变化率如下式模态1(t0-t1)1Q4Q2Q3Q1Q4QoLIpIABVsecVinVinVn0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t)n/L(L)n/V(VdtdIolkoinp21QinV2Q3Q1SD2SD3SD1SC2SC3SC1D2D3D4DlkL1ToLoCoR4Q4SD4SCpIABt1时刻Q1零电压关断Ip从Q1转移到Cs1和Cs2Cs1充电，Cs2放电t2时刻VAB降至零此区间为超前臂暂态变换区间模态2(t1-t2)1Q4Q2Q3Q1Q4QoLIpIABVsecVinVinVn0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t1QinV2Q3Q1SD2SD3SD1SC2SC3SC1D2D3D4DlkL1ToLoCoR4Q4SD4SCpIAB其中，Ip、Cs1和Cs2有如下表达式：模态2(t1-t2)1Q4Q2Q3Q1Q4QoLIpIABVsecVinVinVn0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t1QinV2Q3Q1SD2SD3SD1SC2SC3SC1D2D3D4DlkL1ToLoCoR4Q4SD4SCpIAB11II)t(Itp)tt(CI)t(Vleadcs1121)tt(CIVV)t(VleadinABcs1122t2时刻二极管Ds2正向导通，为原边电流Ip提供续流通道原边电流Ip的变化率如下式所示，模态3(t2-t3)1Q4Q2Q3Q1Q4QoLIpIABVsecVinVinVn0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t1QinV2Q3Q1SD2SD3SD1SC2SC3SC1D2D3D4DlkL1ToLoCoR4Q4SD4SCpIAB)n/L(Ln/VdtdIolkop2模态4(t3-t4)1Q4Q2Q3Q1Q4QoLIpIABVsecVinVinVn0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t1QinV2Q3Q1SD2SD3SD1SC2SC3SC1D2D3D4DlkL1ToLoCoR4Q4SD4SCpIABt3时刻Q4零电压关断Ip从Q4转移到Cs3和Cs4Cs4充电，Cs3放电t4时刻VAB降至-Vin模态4(t3-t4)1Q4Q2Q3Q1Q4QoLIpIABVsecVinVinVn0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t1QinV2Q3Q1SD2SD3SD1SC2SC3SC1D2D3D4DlkL1ToLoCoR4Q4SD4SCpIAB该VAB负压迫使次级侧二极管D2、D3导通，而D1、D4并不能立刻关断，导致变压器次级侧线圈短路，变压器两侧解耦此区间为滞后臂暂态变换区间模态4(t3-t4)1Q4Q2Q3Q1Q4QoLIpIABVsecVinVinVn0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t1QinV2Q3Q1SD2SD3SD1SC2SC3SC1D2D3D4DlkL1ToLoCoR4Q4SD4SCpIAB在此期间，变压器初级侧Llk与Cs3及Cs4发生谐振其中，Ip、Cs3和Cs4有如下表达式：)tt(cosI)t(Itp33)tt(sinIZ)t(VtpCs334)tt(sinIZV)t(VtpinCs333t4时刻二极管Ds3正向导通，为原边电流Ip提供续流通道原边电流Ip的变化率如下式所示，模态5(t4-t5)1Q4Q2Q3Q1Q4QoLIpIABVsecVinVinVn0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t1QinV2Q3Q1SD2SD3SD1SC2SC3SC1D2D3D4DlkL1ToLoCoR4Q4SD4SCpIABlkinpLVdtdIt5时刻起，原边电流Ip开始反向增大，流通路径由Ds2、Ds3转为Q2和Q3副边电流Is也在不断增大，流通路径为D2和D3流过D1和D4的电流也在不断减小模态6(t5-t6)1Q4Q2Q3Q1Q4QoLIpIABVsecVinVinVn0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t1QinV2Q3Q1SD2SD3SD1SC2SC3SC1D2D3D4DlkL1ToLoCoR4Q4SD4SCpIABt6时刻，副边电流Is与输出电流ILo相等，二极管D1、D4停止导通变压器两侧恢复到耦合状态模态6(t5-t6)1Q4Q2Q3Q1Q4QoLIpIABVsecVinVinVn0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t1QinV2Q3Q1SD2SD3SD1SC2SC3SC1D2D3D4DlkL1ToLoCoR4Q4SD4SCpIABPartⅢ次级有源钳位移相全桥变换器全桥变换器工作时，整流二极管较长的反向恢复时间trr，会在关断时产生电压尖峰整流二极管皮法级寄生电容Cp的存在，与变压器漏感Llk发生谐振，在整流输出端产生高频振荡，即振铃现象寄生振荡1D2D3D4D2lknL1ToLoCoR1DC4DCrecV开关管QS电容CS二极管DS（开关管QS寄生反并联二极管）带次级有源箝位的移相全桥变换器拓扑钳位电路1QinV2Q3Q1SD2SD3SD1SC2SC3SC1D2D3D4DlkL1ToLoCoR4Q4SD4SCABSQSDSCsCI新增器件模态1(t0-t1)该次级有源箝位电路的一个开关周期可分为4个工作模态（t0-t4），具体分析如下：模态1（t0-t1）：t0时刻变压器副边电压Vrec建立，箝位开关管Qs处于关断状态变压器漏感、二极管寄生电容通过Qs的体二极管与箝位电容Cs发生谐振，对Cs充电recVoVsCIsQsCV0t1t2t3t4t1D2D3D4D1ToLoCoRSQSDSCsCI模态2(t1-t2)模态2（t1-t2）：t1时刻导通Qs谐振电流ICs的方向不变，逐渐减小至零recVoVsCIsQsCV0t1t2t3t4t1D2D3D4D1ToLoCoRSQSDSCsCI模态3(t2-t3)模态3（t2-t3）：t2时刻，ICs过零换向，并逐渐增大箝位电容Cs处于放电状态recVoVsCIsQsCV0t1t2t3t4t1D2D3D4D1ToLoCoRSQSDSCsCI模态4(t3-t4)模态4（t3-t4）：t3时刻变压器副边电压Vrec变为零关断Qs，ICs降至零recVoVsCIsQsCV0t1t2t3t4t1D2D3D4D1ToLoCoRSQSDSCPartⅣ移相全桥ZVS变换器的控制实现移相控制的数字实现•TMS320F2812控制器集成有两个事件管理器模块EVA和EVB，每个事件管理器模块有两个通用定时器，可用作生成PWM波形•为实现移相控制，一般多采用EVA模块的T1定时器和EVB模块的T3定时器来分别生成超前、滞后臂的PWM波形•其中，TxPR寄存器对应开关频率，TxCMPR寄存器对应占空比，TxCNT寄存器对应定时器的计数值，可用来配置移相角的大小移相控制的数字实现具体实现方案包括如下2部分：I.配置TxPR,TxCMPR寄存器生成2组开关频率相同，占空比50%，互补的PWM波形——PWM1/PWM2（超前臂），PWM7/PWM8（滞后臂）；II.若移相角为度，则配置这样PWM7将滞后于PWM1波形相位，同理，PWM8滞后于PWM2波形相位。36033/PRTCNTT01CNTT有源钳位的数字实现I.配置T2CMP管脚作钳位PWM波形的输出，T2CMP的开关频率配置为PWM1的2倍，即II.配置T2CMP波形同步于PWM1波形，即III.AD采样计算完成后，实时更新移相角(对应T1CNT、T3CNT寄存器)、钳位PWM占空比(对应T2CMPR寄存器)、延时(对应T2CMPR寄存器)PRT.PRT1250CNTTCNTT12程序流程图主程序初始化主循环i++i100?YNi=0启动AD采样Update=1?AD采样完成计算移相角钳位点YNUpdateflag=1Update=0使能定时器1,2,3定时器1周期中断Updateflag=1?YNUpdateflag=0更新移相角、钳位点寄存器周期中断计数+1中断返回AD采样中断电压电流过采样中断返回Update=1AD中断计数+1