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详述移相全桥 PWM DC-DC转换器的“两大件”

发布时间:2015-08-10 责任编辑:echolady

【导读】变换器类型中,移相全桥 PWM DC-DC转换器属于其中最为常见的类型。在各种加工和电路系统设计中广为应用。本文主要从移相全桥 PWM DC-DC转换器入手,着重阐述了移相全桥 PWM DC-DC转换器的拓扑结构及四个工作阶段。

拓扑结构

在这里我们以最基础的PWM ZVS型的DC-DC变换器为例子,进行解读。该种变换器的基本拓扑结构如下图所示。在下图中我们可以看到,该种转换器的电路结构与普通双极性PWM变换器类似,都是由T1和T2组成超前桥臂,T3与T4组成滞后桥臂。C1—C4分别是T1—T4的谐振电容,包括寄生电容和外接电容。Lr是谐振电感,包括变压器的漏感。T1和T2分别超前T4和T3一个相位,即移相角,通过调节移相角的大小,调节输出电压。D5、D6是整流二极管,Lf、Cf构成二阶滤波器(Lf足够大,If近似恒定)

详述移相全桥 PWM DC-DC转换器的“两大件”
图为移相全桥PWM ZVS DC/DC 变换器基本电路

在了解了这种转换器的拓扑结构和基本电路构成情况后,我们再来看一下移相全桥PWM ZVS变换器的工作周期和主要工作波形。该种转换器的主要工作波形如下图所示:

详述移相全桥 PWM DC-DC转换器的“两大件”
图为移相全桥变换器主要工作波形

从上图的主要工作波形中我们可以比较清晰的看到,在该转换器正常工作的前提下,半个开关周期内电路工作过程分为六个阶段,图中tδ为移相角、td为死区,ip为变压器原边电流。
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工作阶段

移相全桥PWM ZVS DC-DC变换器具有拓扑结构相对简单、功耗小、效率高等特点,在应用中尤其受到工业制造领域和光伏变电系统的欢迎。该种类型的变换器在日常的运行过程中,由于受到其工作原理和结构影响,具有六个不同的工作阶段。

在进行该类型转换器的六个工作阶段分析之前,我们先来看一下这种移相全桥结构的转换器工作波形,其波形如下图所示:

详述移相全桥 PWM DC-DC转换器的“两大件”
图为移相全桥PWM ZVS DC-DC变换器工作波形
 
下面我们开始就六个不同的工作阶段,展开分别的分析和总结。

移相全桥转换器的第一个工作阶段是在t0时刻关断T1,电流ip从T1转移到C1和C2支路中,给C1充电,同时C2被放电。这是一个完整的工作阶段。在此期间,谐振电感Lr和滤波电感Lf是串联的,而且Lf很大,可以认为ip近似不变,类似于一个恒流源。电容C1的电压从零开始线性上升,电容C2的电压从Vin开始线性下降,在t1时刻,C2的电压下降到零,T2的反并二极管D2自然导通,将T2的电压箝在零电位。

在转换器的第二工作阶段中,从波形图中我们可以比较清楚的看到,t1时刻T2的电压已被箝在零电位,T4导通。在这一阶段里VAB=0,此后ip将经T4,D2和Lr续流,ip减小,其感应电压使变压器副方二极管D5导通,续流If。在此续流阶段,D2导通,只要满足t01=t1-t0即可。

移相全桥转换器的第三工作阶段是在t2时刻,关断T4,原边电流ip转移到C3和C4中,一方面抽走C3上的电荷,Vc3从Vin下降。另一方面同时又给C4充电,Vc4从零逐渐上升,T4软关断。在此工作阶段内,变压器副边二极管D6导通。由于滤波电感电流If近似为恒流,此时变压器副边整流二极管D5、D6之间进行换流,由于D5、D6同时导通,变压器副边被短路。

接下来进入到该转换器的第四个工作阶段。通过其工作波形图我们可以看到,在t3时刻,C4电压充至Vin,C3电压放为零,二极管D3自然导通Vc3=0。在第四个工作阶段中,只要t23=t3-t2。

在移相全桥转换器的第五个工作阶段中,从上图的波形走向中我们可以比较清楚的看到,t4时刻ip过零反向增加,由于ID6仍然不足以提供If,故D5、D6仍然同时导通,副边电压为零。

在该种类型的DC-DC变换器第六工作阶段中,通过波形图可以看到,由于t5时刻变压器原边电流ip增加至If/K(K为变压器变比),故而D5、D6换流过程结束,If由二极管D6单独提供。t6时刻T2关断。后半个周期与前半个周期工作情况类似。

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