移相全橋ZVS PWM直流變換器正半周工作模式分析

移相全橋PS FB一個(gè)周期可以分為12中工作模態(tài)，其中正負(fù)半周期是對(duì)應(yīng)的關(guān)系，只不過(guò)改變的是電流在橋臂上的流向，下面我們首先來(lái)分析ZVS這12個(gè)工作模態(tài)的情況，揭開移相全橋的神秘面紗。文章來(lái)源：http://wwwcb863.com/bl/392.html 工作模態(tài)一：正半周期功率輸出過(guò)程
如上圖,此時(shí)T1與T4同時(shí)導(dǎo)通，T2與T3同時(shí)關(guān)斷，原邊電流的流向是T1—Lp—Lk—T4,如圖所示。
此時(shí)的輸入電壓幾乎全部降落在圖中的A,B兩點(diǎn)上，即U_AB=V_in, 此時(shí)AB兩點(diǎn)的電感量除了圖上標(biāo)示出的Lp與Lk之外，應(yīng)該還有次級(jí)反射回來(lái)的電感L_S`（因?yàn)榇藭r(shí)次級(jí)二極管VD1是導(dǎo)通的），即L<sub>S</sub>`=n²* L_f,由于是按照匝比平方折算回來(lái)，所以L_S`會(huì)比Lk大很多，導(dǎo)致Ip上升緩慢，上升電流△Ip為
△Ip=(Vin-n*Uo)*(t1-t0)/( Lk+ L<sub>S</sub>`)
Vin-n*Uo是諧振電感兩端的電壓，就是用輸入電壓減去次級(jí)反射回來(lái)的電壓
此過(guò)程中，根據(jù)變壓器的同名端關(guān)系，次級(jí)二極管VD1導(dǎo)通，VD2關(guān)斷，變壓器原邊向負(fù)載提供能量，同時(shí)給輸出電感L_f與輸出電容C_f儲(chǔ)能。（圖中未畫出）
此時(shí)，               U_C2 =U_C3=U_A=U_AB=V_in
U_B=0V 工作模態(tài)二：超前臂諧振過(guò)程
如上圖，此時(shí)超前橋臂上管T1在t1時(shí)刻關(guān)斷，但由于電感兩端電流不能突變的特性，變壓器原邊的電流仍然需要維持原來(lái)的方向，故電流被轉(zhuǎn)移到C1與C2中，C1被充電，電壓很快會(huì)上升到輸入電壓Vin，而C2開始放電，電壓很快就下降到0，即將A點(diǎn)的電位鉗位到0V。
由于次級(jí)折算過(guò)來(lái)的感量L_S`遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于諧振電感的感量L_k，故基本可以認(rèn)為此是的原邊類似一個(gè)恒流源，此時(shí)的ip基本不變，或下降很小。
C1兩端的電壓由下式給出
Vc1=Ip*(t2-t1)/(C1+C3)= Ip*(t2-t1)/2 C_lead
C2兩端的電壓由下式給出
Vc1= Vin- 【Ip*(t2-t1)/2 C_lead】
其中Ip是在模態(tài)2流過(guò)原邊電感的電流，在T2時(shí)刻C1上的電壓很快上升到Vin，C2上的電壓很快變成0V，D2開始導(dǎo)通。
在t2時(shí)刻之前，C1充滿電，C2放完電，即 V_C1= V_C3= Vin  V_C2=V_A=V_B= 0V
模態(tài)2的時(shí)間為
△t= t2-t1=2 Clead * Vin/ Ip 工作模態(tài)三：原邊電流正半周期鉗位續(xù)流過(guò)程
如上圖，此時(shí)二極管D2已經(jīng)完全導(dǎo)通續(xù)流，將超前臂下管T2兩端的電壓鉗位到0V，此時(shí)將T2打開，就實(shí)現(xiàn)了超前臂下管T2的ZVS開通；但此時(shí)的原邊電流仍然是從D2走，而不是T2。
此時(shí)流過(guò)原邊的電流仍然較大，等與副邊電感Lf的電流折算到原邊的電流
        即      ip(t)= iLf(t)/n
此時(shí)電流的下降速度跟電感量有關(guān)。
從超前臂T1關(guān)斷到T2打開這段時(shí)間td，稱為超前臂死區(qū)時(shí)間，為保證滿足T2的ZVS開通條件，就必須讓C2放電到0V，即
           td ≥△t= t2-t1=2 Clead * Vin/ Ip
此時(shí)，    UC1=UC3=Vin   ，  UA=UB=UAB=0V
C3的極性并沒(méi)有突變，在T4關(guān)斷前C3的電壓就等于原邊的輸入電壓，因?yàn)榇藭r(shí)B點(diǎn)電壓為0V，當(dāng)T4關(guān)斷的時(shí)刻，可以認(rèn)為是ip通過(guò)Lk與Vin通過(guò)C3同時(shí)給C4充電 工作模態(tài)四：正半周期滯后臂諧振過(guò)程
如圖所示:在T3時(shí)刻將滯后臂下管T4關(guān)斷，在T4關(guān)斷前，C4兩端的電壓為0，所以T4是零電壓關(guān)斷。
由于T4的關(guān)斷，原邊電流ip突然失去通路，但由電感的原理我們知道，原邊電流不允許突變，需要維持原來(lái)的方向，以一定的速率減少。所以，原邊電流ip會(huì)對(duì)C4充電，使C4兩端的電壓慢慢往上升，同時(shí)抽走C3兩端的電荷。
即               ip(t)=I2sinω(t-t3)
                vc4(t)=ZpI2sinω(t-t3)
                 vc3(t)=Vin-ZpI2sinω(t-t3)
其中，I2：t3時(shí)刻，原邊電流下降之后的電流值
      Zp：滯后臂的諧振阻抗，Zp= )0.5
         ω：滯后臂的諧振角頻率，ω=1/(2Lr*Clag)0.5
可能有人會(huì)感到奇怪，電流怎么出現(xiàn)了正弦函數(shù)關(guān)系呢，沒(méi)錯(cuò)，因?yàn)榇藭r(shí)是原邊的諧振電感Lr與滯后臂的兩個(gè)電容C3,C4諧振，其關(guān)系就是正弦關(guān)系。
為何我上面提到只有原邊的諧振電感Lr參加諧振呢，那么次級(jí)的儲(chǔ)能電感是否有參加諧振呢？下面我們來(lái)分析一下：
由于滯后臂下管T4的關(guān)斷，C4慢慢建立起電壓，而最終等于電源電壓，即UC4=Vin,從圖紙上我們可以看到，UC4其實(shí)就是B點(diǎn)的電壓，C4兩端電壓的上升就是B點(diǎn)電壓由0V慢慢的上升過(guò)程，而此時(shí)A點(diǎn)電壓被鉗位到0V，所以這會(huì)導(dǎo)致UAB<0V，也就是說(shuō)這個(gè)時(shí)候原邊繞組的電壓已經(jīng)開始反向。
由于原邊電壓的反向，根據(jù)同名端的關(guān)系，L_S1，L_S2同時(shí)出現(xiàn)下正上負(fù)的關(guān)系，此時(shí)VD2開始導(dǎo)通并流過(guò)電流；而由于L_S1與L_f的關(guān)系，流過(guò)L_S1與VD1的電流不能馬上減少到0，只能慢慢的減少；而且通過(guò)VD2的電流也只能慢慢的增加，所以出現(xiàn)了VD1與VD2同時(shí)導(dǎo)通的情況，即副邊繞組L_S1，L_S2同時(shí)出現(xiàn)了短路。
而副邊繞組的短路，導(dǎo)致L_f反射到原邊去的通路被切斷，也就是說(shuō)會(huì)導(dǎo)致原邊參加諧振的電感量由原來(lái)的（L_f*n²+ L_r）迅速減少到只剩L_r，由于L_r比（L_f*n²+ L_r）小很多，所以原邊電流會(huì)迅速減少。
此時(shí)，原邊的U_AB=U_Lr=-V_in，U_A=0V, U_B= V_in
所以T4是零電壓關(guān)斷。 開關(guān)模態(tài)五：諧振結(jié)束，原邊電感向電網(wǎng)饋能
如圖所示，當(dāng)C4充電到Vin之后，諧振結(jié)束，就不再有電流流過(guò)C3,C4,轉(zhuǎn)而D3自然導(dǎo)通，原邊電流通過(guò)D2—Lr—D3向電網(wǎng)饋能，其實(shí)能量來(lái)源于儲(chǔ)存在Lr中的能量，此時(shí)原邊電流迅速減少，
ip(t)= Ip4- (t-t4)
   其中  Ip4是t4時(shí)刻的原邊電流值
在t5時(shí)刻減少到0。
此時(shí)T3兩端的電壓降為0V，只要在這個(gè)時(shí)間將T3開啟，那么T3就達(dá)到了零電壓開啟的效果。
在這里有幾個(gè)概念需要介紹下：
死區(qū)時(shí)間：超前臂或滯后臂的上下兩管，開通或關(guān)閉的間隔時(shí)間，移相全橋電源每個(gè)周期有4個(gè)死區(qū)時(shí)間。
諧振周期：滯后臂兩個(gè)管子關(guān)斷之后到超前臂兩個(gè)管子開通之前，次級(jí)電感通過(guò)匝比反射回來(lái)的電感與諧振電感之和與各自的諧振電容的2個(gè)諧振時(shí)間；還有就是超前臂已經(jīng)開通，滯后臂兩個(gè)管子換流之前，諧振電感與各自的諧振電容的2個(gè)諧振時(shí)間。
移相角度：指的是超前臂上管開通到滯后臂下管的開通的時(shí)間間隔或超前臂下管開通到滯后臂上管的開通的時(shí)間間隔，再轉(zhuǎn)換成角頻率ω
ω=2∏f=2∏/T.
對(duì)于開關(guān)模態(tài)5來(lái)說(shuō)，諧振周期一定要小于死區(qū)時(shí)間，否則就不能達(dá)到滯后臂的ZVS效果了。但此時(shí)的諧振電感是沒(méi)有次級(jí)電感通過(guò)匝比反射回來(lái)的，所以只有諧振電感參與了諧振，在設(shè)計(jì)的時(shí)候小心了，諧振電感一定要足夠大，否則諧振能量不夠的話，原邊電流就會(huì)畸變。
在t5時(shí)刻，UAB=ULr=-Vin，UA=0V, UB= UC1= Vin 開關(guān)模態(tài)六：原邊電流從0反向增大
如圖所示，在t5時(shí)刻之前，T3已經(jīng)導(dǎo)通，在t5時(shí)刻原邊電流ip已經(jīng)下降到0，由于沒(méi)有了電流，所以D2，D3自然關(guān)斷。
在t5-t6的時(shí)間內(nèi)，副邊的二極管D1，D2還是同時(shí)導(dǎo)通流過(guò)電流，將副邊繞組短路，阻斷輸出電感反射到初級(jí)的途徑，此時(shí)的負(fù)載電流還是由次級(jí)電感與輸出電容提供；同時(shí)，由于原邊的T2，T3已經(jīng)導(dǎo)通，原邊電流ip流過(guò)T3--Lr--T2,又因?yàn)長(zhǎng)r很小，所以原邊電流ip就會(huì)反向急劇增大。
即                   ip(t)= - (t-t5)
在t6時(shí)刻，ip達(dá)到最大，等于副邊的電感電流折算到初級(jí)的電流
即                    ip(t6)= - ILf(t6)/n
在這個(gè)開關(guān)模態(tài)，原邊電流是不傳遞能量的，但副邊卻存在著一個(gè)劇烈的換流過(guò)程，通過(guò)副邊二極管VD1的電流迅速減少，VD2的電流迅速增大，在t6時(shí)刻，通過(guò)VD1的電流減少到0，通過(guò)VD2的電流等于電感電流ILf。
在t6時(shí)刻之前，原邊的UAB= ULr=-Vin，UA=0V, UB= Vin
達(dá)到t6時(shí)刻之后，移相全橋的正半周期工作結(jié)束；并開始負(fù)半周期工作，其工作原理與正半周期相似，下面來(lái)做進(jìn)一步的分析：