开关电源的典型拓扑—PSFB移相全桥零电压开通拓扑原理及计算方法介绍

       本文风格,是首先从整体把握,再到局部分析,PSFB移相全桥零电压开通的开关电源的系统架构图如下:

                    


PSFB移相全桥转换器

       全桥式转换器是变压器隔离的降压转换器。基本原理图和相关开关波形如图1 所示。由于转换器形状看似H形,因此全桥转换器也称为H 桥转换器。

                                        

基本工作原理

       变压器原边连接在两个分别由开关Q1 Q4 和Q3 Q2 组成的桥臂之间。开关Q1 Q2 和Q3 Q4 在变压器原边产生脉动AC 电压。变压器用于降低脉动的原边电压并提供输入电压源和输出电压VOUT 之间的隔离。如同半桥式结构,开关承受的电压应力为VIN。然而,当任一个开关导通时,加在原边的电压为输入电压的一半,从而使开关电流升高了一倍。在推挽式结构中,当任一开关导通时,变压器原边绕组所加电压为全部的输入电压;然而开关承受的电压应力为输入电压的两倍。这一情况使得这两种结构都不适用于高功率(>500 瓦)的应用场合。

       全桥式转换器结构保留了半桥式结构的电压特性和推挽式结构的电流特性。在选择的开关周期内,对角开关对Q1 Q2 和Q3 Q4 交替导通。稳态运行时,对角开关对Q1Q2导通TON时间,绕组同名端的电位相对于非同名端变为正。二极管D4 变为反向偏置而二极管D3 变为正向偏置。二极管D3 使全部负载电流流过副边绕组NS1。

       当输入电压加载到变压器原边时,折回的负载电流加上变压器原边的励磁电流将流过开关。磁芯中的磁通密度将从其初始值B1 变化到B2,如图2 所示。原边折到副边的电压和输出电压的差值将以正向加载到电感L 两端。

                                        

       在导通阶段的末期,当开关对Q1 Q2 关断且在开关周期TS 的剩余时间内保持关断状态时,开关对Q3 Q4 将在开关周期的TS/2 后导通,如图1(B 和C) 所示。因此,在TOFF 期间,所有4 个开关将被关断。

       当开关对Q1 Q2 关断时,开关对Q3 Q4 内部集成的二极管将提供变压器原边漏感储能的续流通路。输出整流二极管D4 变为正向偏置,它使一半的电感电流流过变压器副边绕组NS2,而另一半电流则通过二极管D3 流过变压器副边绕组NS1,如图1(D)所示。因此,如同半桥式结构中的那样, TOFF 期间副边两端所加总电压为零。这将使得变压器磁芯中的磁通密度恒定等于其最终值B2(见图3)。当两个开关都关断时,输出电压VOUT 将反向加载在电感L 上。

                                       

       在开关周期的TS/2 处,当对角开关Q3、Q4 导通TON时间,绕组同名端的极性相对于非同名端将变为负。二极管D3 将变为反向偏置而二极管D4 变为正向偏置。二极管D4 使全部的负载电流流经副边绕组NS2。当输入电压加载到变压器原边时,折回的负载电流加上变压器原边励磁电流将流过开关。当输入电压反向加载到变压器原边,磁芯中的磁通密度将从其初始值B2变化到B1,如图13 所示。折回到副边的原边电压和输出电压的压差将正向加载到电感L 的两端。

       假定副边绕组匝数NS1 等于NS2,为避免变压器磁芯中出现磁饱和,两个开关对Q1 Q2 和Q3 Q4 的TON 周期应相等。在开关对Q3 Q4 的TON 周期结束之后,它将关断,并在开关周期TS 的剩余时间内保持关断状态,如图1(B) 所示。请注意,当对角开关对中的任意一对导通时间TON,它将加载全部输入电压VIN 至其他开关。

       在连续导通操作模式,输入电压和输出电压的关系由公式1 给出。

                                      

应用考虑

       由于任一开关承受的最大电压应力为VIN 且变压器磁芯和绕组被充分利用,因此这些特点使得全桥式转换器成为高输入电压、高功率范围SMPS(

 

全桥式转换器

       全桥式转换器使用了四个功率开关,因此增加了器件的开关损耗。对于需要输出功率大于1000瓦的应用场合,开关器件中的损耗将使得全桥式转换器难以应付。

使用好的MOSFET 可以减少MOSFET 的导通损耗,而开关损耗可通过使用ZVS (导通时的零电压开关) 、ZCS(关断时的零电流开关)或同时使用这两种技术进行降低。通过使得输入电流为正弦波来实现ZCS将增加高功率应用时流经MOSFET 的峰值和RMS 电流,从而增加了导通损耗。在高输入电压条件下, MOSFET 优先采用ZVS 技术。

 

全桥/H 桥相移ZVT 拓扑

       使用相移ZVT 技术的全桥式转换器称为H 桥相移ZVT结构。在这种结构中,采用MOSFET 的寄生输出电容和开关变压器的漏感构成谐振回路以实现MOSFET 导通过程中两端电压为零。相移ZVT 和简单的全桥式结构的工作原理存在两个主要区别。在相移ZVT 转换器中,对角的两个开关的栅极驱动信号间存在相移。此外,桥式开关网络的两个半桥采用互补的栅极脉冲进行驱动且占空比固定为50%。两个半桥开关网络栅极驱动信号间的相移控制功率从原边传递到副边,从而导致有效的占空比。

       当对角开关导通时,功率传递到副边。如果两个桥臂中的上部或下部开关同时导通,原边两端电压则为零。因此,在这期间,没有功率传递到副边。当适当的对角开关关断时,原边电流流经相应MOSFET 的输出电容,导致开关漏极电压移向相反的输入电压轨。这将导致即将导通的MOSFET 两端电压为零,这样当它导通时即可实现零电压开关。当感性储能提供足够的循环电流对各自MOSFET的输出电容进行充放电时,这是可能的。

       图4 显示了所需的栅极脉冲以及开关和变压器两端的电压以及流经它们的电流的波形。

                                        



       后续我们将对开关电源的其它拓扑设计进行分别解说,敬请期待。

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