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移相全橋控制的原理分析

CHANBAEK ? 來源:頭條號(hào)小程的電源 ? 作者:頭條號(hào)小程的電源 ? 2023-03-17 17:06 ? 次閱讀

在中大功率電源中,現(xiàn)在市面上最流行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可謂是移相全橋和LLC了,工程師們也最喜歡將這它們放在一塊作比較,這是由于它們的原邊MOS管都可以實(shí)現(xiàn)ZVS,從而降低損耗,提高了功率密度。但它們也各有不同的優(yōu)缺點(diǎn),這里我們來分析一下移相全橋的工作特點(diǎn),而LLC在前段時(shí)間發(fā)的中已分析過,這里就不再詳細(xì)描述。

移相全橋,顧名思義,首先它的硬件拓?fù)涫且粋€(gè)全橋結(jié)構(gòu),而“移相”的意思是控制方式采用移相方式。我們知道PWM和PFM的控制原理,那么“移相”控制的控制原理是什么呢?接下來,我們就此說道說道。

UCC2895是經(jīng)典的移相全橋控制芯片,圖1是它datasheet中的時(shí)序圖。CLOCK是芯片的時(shí)鐘,決定了芯片工作頻率;RAMP與環(huán)路輸出的COMP信號(hào)做比較,決定移相角度大小PWM SIGNGAL,PWM SIGNAL占空比為0時(shí),移相角度為180°,占空比為100%時(shí),移相角度為0。

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圖1

圖2是驅(qū)動(dòng)的信號(hào)的接對(duì)應(yīng)MOS管的驅(qū)動(dòng)方法。在PWM驅(qū)動(dòng)方式控制中,一般是直接控制對(duì)管的Q1/Q4、Q2/Q3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比大小。而在移相方式中,不直接改變單個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)占空比,而是保持每個(gè)開關(guān)管驅(qū)動(dòng)占空比為50%,通過改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位的方式來改變對(duì)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)間,從而調(diào)節(jié)輸出。所以實(shí)際上“移相”也是一種特殊PWM控制方式。

圖1中,OUTPUTA/OUTPUTB相位超前于OUTPUTC/OUTPUTD,所以我們稱圖2中的Q1和Q2為超前橋臂,Q3和Q4為滯后橋臂。超前橋臂比滯后橋臂更容易實(shí)現(xiàn)ZVS,這是為什么呢,后面將會(huì)作出解釋。

pYYBAGQULZSAe0_OAAFLFJoV2sI983.jpg

圖2

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圖3

圖3展示了移相全橋工作的實(shí)現(xiàn)波形圖,其中Ip為諧振腔的電流Vrect為變壓器副邊電壓,其值等于VIN/N,N為變壓器匝比。Vrect波形的陰影部分是丟失的波形,即在實(shí)際中這部分時(shí)間沒有能量傳遞到輸出,相當(dāng)于這部分MOS管的占空比被間接丟失了,導(dǎo)致有效占空比變小,這在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮補(bǔ)償占空比。

為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢?這是因?yàn)檫@個(gè)時(shí)間段的原邊電流較小,不足于提供輸出電流,而副邊電感維持輸出電流使得D1、D2均導(dǎo)通,相當(dāng)于副邊繞組短路。隨著下一組對(duì)管的同時(shí)導(dǎo)通,電流迅速增大到一定值才能將能能量傳遞到輸出。而此時(shí)原邊電流增大的速率與諧振電感Lr大小有關(guān),Lr越大,電流增大的速率越小,使得丟失的占空比越大,所以Lr越小越好?討論這個(gè)問題時(shí),我們會(huì)涉及到前文提到的“超前橋臂比滯后橋臂更容易實(shí)現(xiàn)ZVS”的問題。

首先我們要知道原邊MOS管是如何實(shí)現(xiàn)ZVS的,它是通過電感電流不能斷續(xù)的特性來抽取MOS管寄生電容Cds的電能,以此使得在MOS管開通前Vds降為0。例如,圖2中,Q1關(guān)斷后,Lr電流繼續(xù)流向變壓器,在Q2開通前,其電流回路只能通過C1和C2,此時(shí),C1是充電,C2是放電。其實(shí)這個(gè)時(shí)候,不僅是Lr參與抽取電流,輸出電感Lo通過變壓器映射到原邊也參與抽取電流,但對(duì)于Q3、Q4的關(guān)斷時(shí)刻,由于丟失占空比,副邊繞組相當(dāng)于短路Lo不能映射到原邊,不參與抽取電流,所以Q3、Q4相比于Q1、Q2更難實(shí)現(xiàn)ZVS。

綜上,諧振電感Lr太大會(huì)導(dǎo)致丟失占空比嚴(yán)重,不利于調(diào)節(jié)控制;Lr太小不利于實(shí)現(xiàn)原邊MOS管的ZVS,所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考量,選擇適合Lr。一般可以通過以下兩個(gè)方程選擇Lr的的大小。

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其中,Dloss為丟失占空比,fsw為開關(guān)頻率,Io為輸出電流。

最后我們對(duì)比一下LLC和移相全橋的異同。

序號(hào) 對(duì)比項(xiàng) LLC 移相全橋
1 控制方式 PFM 移相
2 原邊MOS管ZVS的實(shí)現(xiàn) 在全電壓、全負(fù)載范圍內(nèi)均可實(shí)現(xiàn) 超前橋臂比滯后橋臂容易實(shí)現(xiàn),重載比輕載容易實(shí)現(xiàn)。
3 副邊整流管ZCS的實(shí)現(xiàn) 開關(guān)頻率小于等于諧振頻率時(shí)可實(shí)現(xiàn) 不能實(shí)現(xiàn)
4 EMI問題 較輕 較嚴(yán)重
5 輸入(或輸出)范圍調(diào)節(jié)能力 較窄
6 是否需要輸出電感
7 同等條件下的效率 較高 較低
8 能否使用半橋拓?fù)?/td> 可以 可以,但需要三電平的半橋拓?fù)?/td>

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移相全橋仿真波形

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