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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一個周期可以分為12中工作模態,其中正負半周期是對應的關系ag平台娱乐场官方网站,只不過改變的是電流在橋臂上的流向,下面我們首先來分析ZVS這12個工作模態的情況ag平台娱乐场官方网站,揭開移相全橋的神秘面紗ag平台娱乐场官方网站。文章來源:http://www.farangtalk.com/bl/392.html
工作模態一:正半周期功率輸出過程
工作模態一:正半周期功率輸出過程
如上圖,此時T1與T4同時導通ag平台娱乐场官方网站,T2與T3同時關斷,原邊電流的流向是T1—Lp—Lk—T4,如圖所示。
此時的輸入電壓幾乎全部降落在圖中的A,B兩點上ag平台娱乐场官方网站,即UAB=Vin, 此時AB兩點的電感量除了圖上標示出的Lp與Lk之外,應該還有次級反射回來的電感LS`(因為此時次級二極管VD1是導通的),即LS`=n2* Lf,由于是按照匝比平方折算回來,所以LS`會比Lk大很多,導致Ip上升緩慢ag平台娱乐场官方网站,上升電流△Ip為
△Ip=(Vin-n*Uo)*(t1-t0)/( Lk+ LS`)
Vin-n*Uo是諧振電感兩端的電壓,就是用輸入電壓減去次級反射回來的電壓
此過程中,根據變壓器的同名端關系,次級二極管VD1導通ag平台娱乐场官方网站,VD2關斷,變壓器原邊向負載提供能量ag平台娱乐场官方网站,同時給輸出電感Lf與輸出電容Cf儲能ag平台娱乐场官方网站。(圖中未畫出)
此時,               UC2 =UC3=UA=UAB=Vin
UB=0V
工作模態二:超前臂諧振過程
工作模態二:超前臂諧振過程
如上圖,此時超前橋臂上管T1在t1時刻關斷,但由于電感兩端電流不能突變的特性ag平台娱乐场官方网站,變壓器原邊的電流仍然需要維持原來的方向ag平台娱乐场官方网站,故電流被轉移到C1與C2中,C1被充電,電壓很快會上升到輸入電壓Vin,而C2開始放電,電壓很快就下降到0,即將A點的電位鉗位到0V。
由于次級折算過來的感量LS`遠遠大于諧振電感的感量Lkag平台娱乐场官方网站,故基本可以認為此是的原邊類似一個恒流源,此時的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 Clead
C2兩端的電壓由下式給出
Vc1= Vin- 【Ip*(t2-t1)/2 Clead
其中Ip是在模態2流過原邊電感的電流,在T2時刻C1上的電壓很快上升到Vin,C2上的電壓很快變成0Vag平台娱乐场官方网站,D2開始導通。
在t2時刻之前,C1充滿電ag平台娱乐场官方网站,C2放完電,即 VC1= VC3= Vin  VC2=VA=VB= 0V
模態2的時間為
△t= t2-t1=2 Clead * Vin/ Ip
工作模態三:原邊電流正半周期鉗位續流過程
工作模態三:原邊電流正半周期鉗位續流過程
如上圖ag平台娱乐场官方网站,此時二極管D2已經完全導通續流,將超前臂下管T2兩端的電壓鉗位到0Vag平台娱乐场官方网站,此時將T2打開ag平台娱乐场官方网站,就實現了超前臂下管T2的ZVS開通ag平台娱乐场官方网站;但此時的原邊電流仍然是從D2走,而不是T2。
此時流過原邊的電流仍然較大ag平台娱乐场官方网站,等與副邊電感Lf的電流折算到原邊的電流
        即      ip(t)= iLf(t)/n
此時電流的下降速度跟電感量有關。
從超前臂T1關斷到T2打開這段時間tdag平台娱乐场官方网站,稱為超前臂死區時間,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ag平台娱乐场官方网站,    UC1=UC3=Vin   ,  UA=UB=UAB=0V
C3的極性并沒有突變ag平台娱乐场官方网站,在T4關斷前C3的電壓就等于原邊的輸入電壓,因為此時B點電壓為0V,當T4關斷的時刻,可以認為是ip通過Lk與Vin通過C3同時給C4充電
工作模態四:正半周期滯后臂諧振過程
工作模態四:正半周期滯后臂諧振過程
如圖所示:在T3時刻將滯后臂下管T4關斷,在T4關斷前,C4兩端的電壓為0,所以T4是零電壓關斷。
由于T4的關斷ag平台娱乐场官方网站,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ag平台娱乐场官方网站,需要維持原來的方向,以一定的速率減少。所以,原邊電流ip會對C4充電ag平台娱乐场官方网站,使C4兩端的電壓慢慢往上升,同時抽走C3兩端的電荷ag平台娱乐场官方网站。
即               ip(t)=I2sinω(t-t3)
                vc4(t)=ZpI2sinω(t-t3)
                 vc3(t)=Vin-ZpI2sinω(t-t3)
其中ag平台娱乐场官方网站,I2:t3時刻ag平台娱乐场官方网站,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
可能有人會感到奇怪ag平台娱乐场官方网站,電流怎么出現了正弦函數關系呢,沒錯ag平台娱乐场官方网站,因為此時是原邊的諧振電感Lr與滯后臂的兩個電容C3,C4諧振ag平台娱乐场官方网站,其關系就是正弦關系。
為何我上面提到只有原邊的諧振電感Lr參加諧振呢,那么次級的儲能電感是否有參加諧振呢ag平台娱乐场官方网站?下面我們來分析一下:
由于滯后臂下管T4的關斷,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其實就是B點的電壓,C4兩端電壓的上升就是B點電壓由0V慢慢的上升過程ag平台娱乐场官方网站,而此時A點電壓被鉗位到0V,所以這會導致UAB<0V,也就是說這個時候原邊繞組的電壓已經開始反向。
由于原邊電壓的反向ag平台娱乐场官方网站ag平台娱乐场官方网站,根據同名端的關系ag平台娱乐场官方网站ag平台娱乐场官方网站,LS1,LS2同時出現下正上負的關系,此時VD2開始導通并流過電流;而由于LS1與Lf的關系,流過LS1與VD1的電流不能馬上減少到0,只能慢慢的減少;而且通過VD2的電流也只能慢慢的增加,所以出現了VD1與VD2同時導通的情況,即副邊繞組LS1,LS2同時出現了短路ag平台娱乐场官方网站。
而副邊繞組的短路,導致Lf反射到原邊去的通路被切斷ag平台娱乐场官方网站,也就是說會導致原邊參加諧振的電感量由原來的(Lf*n2+ Lr)迅速減少到只剩Lrag平台娱乐场官方网站,由于Lr比(Lf*n2+ Lr)小很多ag平台娱乐场官方网站,所以原邊電流會迅速減少。
此時,原邊的UAB=ULr=-Vinag平台娱乐场官方网站ag平台娱乐场官方网站,UA=0V, UB= Vin
所以T4是零電壓關斷。
開關模態五:諧振結束,原邊電感向電網饋能
開關模態五:諧振結束,原邊電感向電網饋能
如圖所示,當C4充電到Vin之后,諧振結束ag平台娱乐场官方网站,就不再有電流流過C3,C4,轉而D3自然導通ag平台娱乐场官方网站ag平台娱乐场官方网站,原邊電流通過D2—Lr—D3向電網饋能,其實能量來源于儲存在Lr中的能量,此時原邊電流迅速減少,
ip(t)= Ip4- (t-t4)
   其中  Ip4是t4時刻的原邊電流值
在t5時刻減少到0。
此時T3兩端的電壓降為0V,只要在這個時間將T3開啟,那么T3就達到了零電壓開啟的效果。
在這里有幾個概念需要介紹下:
死區時間:超前臂或滯后臂的上下兩管ag平台娱乐场官方网站,開通或關閉的間隔時間ag平台娱乐场官方网站,移相全橋電源每個周期有4個死區時間ag平台娱乐场官方网站。
諧振周期:滯后臂兩個管子關斷之后到超前臂兩個管子開通之前,次級電感通過匝比反射回來的電感與諧振電感之和與各自的諧振電容的2個諧振時間;還有就是超前臂已經開通,滯后臂兩個管子換流之前,諧振電感與各自的諧振電容的2個諧振時間。
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間間隔或超前臂下管開通到滯后臂上管的開通的時間間隔,再轉換成角頻率ω
ω=2∏f=2∏/T.
對于開關模態5來說,諧振周期一定要小于死區時間,否則就不能達到滯后臂的ZVS效果了。但此時的諧振電感是沒有次級電感通過匝比反射回來的,所以只有諧振電感參與了諧振,在設計的時候小心了ag平台娱乐场官方网站,諧振電感一定要足夠大ag平台娱乐场官方网站,否則諧振能量不夠的話,原邊電流就會畸變ag平台娱乐场官方网站。
在t5時刻,UAB=ULr=-Vinag平台娱乐场官方网站,UA=0V, UB= UC1= Vin
開關模態六:原邊電流從0反向增大
開關模態六:原邊電流從0反向增大
如圖所示,在t5時刻之前,T3已經導通ag平台娱乐场官方网站ag平台娱乐场官方网站,在t5時刻原邊電流ip已經下降到0ag平台娱乐场官方网站,由于沒有了電流,所以D2,D3自然關斷。
在t5-t6的時間內,副邊的二極管D1ag平台娱乐场官方网站,D2還是同時導通流過電流ag平台娱乐场官方网站,將副邊繞組短路ag平台娱乐场官方网站,阻斷輸出電感反射到初級的途徑,此時的負載電流還是由次級電感與輸出電容提供;同時,由于原邊的T2,T3已經導通,原邊電流ip流過T3--Lr--T2,又因為Lr很小,所以原邊電流ip就會反向急劇增大。
即                   ip(t)= - (t-t5)
在t6時刻,ip達到最大,等于副邊的電感電流折算到初級的電流
即                    ip(t6)= - ILf(t6)/n
在這個開關模態,原邊電流是不傳遞能量的ag平台娱乐场官方网站,但副邊卻存在著一個劇烈的換流過程,通過副邊二極管VD1的電流迅速減少,VD2的電流迅速增大ag平台娱乐场官方网站,在t6時刻,通過VD1的電流減少到0,通過VD2的電流等于電感電流ILf。
在t6時刻之前ag平台娱乐场官方网站,原邊的UAB= ULr=-Vin,UA=0V, UB= Vin
達到t6時刻之后,移相全橋的正半周期工作結束;并開始負半周期工作,其工作原理與正半周期相似,下面來做進一步的分析:
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