移相橋滯后橋臂實現零點壓關斷困難的解決方法綜述

1．引言

　　全橋變換器（Full-Bridge converter）通常應用于功率大于400W的開關電源中，特別是在通信電源這種大功率的電源中應用比較廣泛。但是硬開關條件下的全橋變換器會引來很大的開關損耗，不利于開關管的頻率和電源轉換效率的提高。針對硬開關大損耗問題，有人提出了移相控制方法。通過移相控制可以實現開關管的零電壓開通和關斷，從而可以大大改善開關管的開通關斷條件，這樣可以提高開關的頻率，減少電源的體積，提高電源的轉換效率。移相橋全橋變換器如圖1所示。要實現開關管的零點壓開通，必須要有足夠的能量來抽走將要開通的開關管的結電容（或外部附加電容）上的電荷和給同一橋臂關斷的開關管的結電容（或外部附加電容）充電；同時，考慮到變壓器的原邊繞組電容，還要有一部分能量用來抽走變壓器原邊繞組寄生電容上的電荷；

　　由于超前橋臂在開關過程中有輸出電流的參與，因此很容易實現ZVS。在后橋臂在開關過程中，變壓器原邊是短路的，此時整個變換器就被分成兩部分，一部分是原邊電流逐漸改變流通方向，其流通路徑由逆變橋提供；另一部分是負載電流由整流橋提供續流回路。負載側與變壓器原邊沒有關系。此時用來實現ZVS的能量只是諧振電感（漏感和附加諧振電感）中的能量。而諧振電感很小，因此滯后橋臂開關管實現零電壓開通比較困難。

圖1 傳統零電壓開關的移相全橋電路


2．非拓撲結構性改變的解決方法
　　
　　由上面分析可知，滯后橋臂的開關動作由于產生在回流過程向能量傳送過程的轉化階段，輸出電感電流不能反饋到原邊，滯后橋臂的開關管并聯電容只能依靠變壓器原邊的諧振電感進行充放電，由于諧振電感中存儲的能量很小，使得滯后橋臂開關管實現零電壓開通變得很難,特別是在低負載的時候這種現象更為明顯。要實現滯后橋臂的ZVS，必須，我們從公式中可以看出，要滿足它，就必須增加諧振電感Lr和增加電流I2。這樣就有兩種非拓撲結構性改變的方法[1]來解決滯后橋臂開關管零電壓開通難的問題：增加勵磁電流和增加諧振電感，但是前者會增加變壓器的損耗，而增加諧振電感又將引起副邊占空比的丟失，為了更容易實現滯后橋臂的開關管零電壓開通，又不會增加開通損耗，降低占空比的損失，近來一些新的拓撲結構被提出。


3．滯后橋臂并聯諧振網絡的零電壓開關的移相全橋

　　為了克服滯后橋臂實現零電壓開關難的不足，同時又不會引起占空比的丟失和開通損耗的增大，[2]提出了一種在滯后橋臂并聯一個諧振電感和兩個諧振開關。拓撲結構圖如圖2所示。開關的控制策略如圖3所示。本拓撲在半個周期內有六個工作模態：

　　模態一：S1，S2同時導通，濾波電感電流線性增加。

　　模態二：S1關斷，原邊電流抽取S3并聯電容上的電荷，同時對S1并聯電容充電，在充放電完畢，D3導通。由于輸出電電感很大，因此流過濾波電感上的電流可以看作為一個恒流源。

　　模態三：在D3導通后，就可以零電壓開通S3。此時，源邊電壓變為零，副邊電壓也同時變為零，四個整流二極管同時導通，以維持輸出濾波電感電流。

　　模態四：關斷S2，利用存儲在漏感上的能量抽取C4上的電荷，并給C2充電，當漏感很小，存儲在漏感中的能量不足以抽取C4上的電荷，并給C2充電時，D4就不會導通，那么S4就不能零電壓開通。為了使S4實現零電壓開通，在關斷S2前先開通Sa來建立諧振電流。

　　模態五：當諧振電流建立到足夠大時，同時關斷S2，Sa,這樣有諧振電感和漏感上的能量一同提供充放電所需的能量，使得S4實現零電壓開通。

　　模態六：當D4導通，就可以在零電壓條件下開通S4，輸出電流反饋到原邊流過S3，S4。在諧振電感上的能量經過S4，Db回饋到電源。

　　后半個周期工作狀態跟前半個周期一樣。

　　本電路的優點是：（1）滯后橋臂能夠成功實現零電壓開通關斷。（2）開關的開通損耗比較低。（3）占空臂損失比較小。本電路中，諧振電感的設計比較重要，如果諧振電感選擇的過大，那么就容易引起不必要的開通損耗，如果過小，那么又不能夠使滯后橋臂實現零電壓關斷。諧振開關的開通時間也要合理選擇，才能在實現滯后橋臂的零電壓關斷的條件下又不引起過多損耗。

圖 2 滯后橋臂并聯諧振網絡的零電壓開關的移相全橋 圖 3滯后橋臂并聯諧振網絡變換器的控制策略

　　上面電路的主要缺點是在負載比較小的時候，實現超前橋臂的零電壓關斷比較困難，電路中增加兩個諧振開關，電路成本增大，控制電路比較復雜。而且諧振電路的開關是硬開關關斷，將會產生額外損耗。還有個缺點是由于兩個諧振電路都是與同一個橋臂兩個開關管并聯，使得電路阻尼震蕩加劇。


4．一種新的并聯諧振網絡的零電壓開關的移相全橋

圖 4　一種新的并聯諧振網絡的零電壓開關的移相全橋

　　[3]中也提出了并聯諧振網絡的方法，如圖4所示。該方法不像前面那樣與滯后橋臂兩管并聯，而是并聯在兩個橋臂的下管上，這樣需調整一下控制方法，其控制策略如圖5所示：S2,S4的開通時間長為DTsw/2,而S1,S3的開通時間為（1-D）Tsw/2，占空比的調節不需要移相，只要調整S2,S4的驅動信號的寬度就可以實現。由于S1,S3的開通處于能量傳送過程，其并聯電容上的電荷能夠在他們開通前由原邊漏感電流和副邊耦合過來的電流抽掉，他們能夠實現零電壓開通，但S2,S4處于換流階段，存儲在漏感上的電流不足以使S4或S2的并聯電容的電壓降到零，這樣需要借助諧振電路。在S2（S4）導通前，打開諧振開關Sa1（Sa2），在諧振電感上建立諧振電流，當S1（S3）關斷時，就可以參與橋臂并聯電容的沖放電。這樣電路中的四個開關管可以全部實現零電壓開通。在該電路中，諧振支路與主開關管并聯，可以實現任意較寬負載的零電壓開關。由于可以減少漏感，從而減少了占空比的損失。有源輔助電路種類的增加，使得選擇最合適的電路使設計達到要求成為可能。

圖 5 新的并聯諧振網絡的零電壓開關的移相全橋控制策略


電荷放大器相關文章:電荷放大器原理