移相全橋學習筆記（一）

      在早期的大功率電源（輸出功率大于1KW）應用中，硬開關全橋(Full-Bridge)拓撲是應用最為廣泛的一種，其特點是開關頻率固定，開關管承受的電壓與電流應力小，便于控制，特別是適合于低壓大電流，以及輸出電壓與電流變化較大的場合。但受制于開關器件的損耗，無法將開關頻率提升以獲得更高的功率密度。例如：一個5KW的電源，采用硬開關全橋，即使效率做到92%，那么依然還有400W的損耗，那么每提升一個點的效率，就可以減少50W的損耗，特別在多臺并機以及長時間運行的系統中，其經濟效益相當可觀。

隨后，人們在硬開關全橋的基礎上，開發出了一種軟開關的全橋拓撲——移相全橋(Phase-Shifting Full-Bridge Converter，簡稱PS FB)，利用功率器件的結電容與變壓器的漏感作為諧振元件，使全橋電源的4個開關管依次在零電壓下導通(Zero voltage Switching，簡稱ZVS)，來實現恒頻軟開關，提升電源的整體效率與EMI性能，當然還可以提高電源的功率密度。

各個元件的意義如下：

Vin：輸入的直流電源
T1-T4：4個主開關管，一般是MOSFET或IGBT
T1,T2稱為超前臂開關管，T3,T4稱為滯后臂開關管
C1-C4：4個開關管的寄生電容或外加諧振電容
D1-D4：4個開關管的寄生二極管或外加續流二極管
VD1,VD2:電源次級高頻整流二極管
TR：移相全橋電源變壓器
Lp：變壓器原邊繞組電感量
Ls1,Ls2:變壓器副邊電感量
Lr：變壓器原邊漏感或原邊漏感與外加電感的和
Lf：移相全橋電源次級輸出續流電感
Cf: 移相全橋電源次級輸出電容
RL: 移相全橋電源次級負載

因為是做理論分析，所以要將一些器件的特性理想化，具體如下：

1、 假設所有的開關管為理想元件，開通與關斷不存在延遲，導通電阻無窮小；開關管的體二極管或者外部的二極管也為理想元件，其開通與關斷不存在延遲，正向壓降為0。

2、 所有的電感，電容都為理想元件，不存在寄生參數，變壓器也為理想變壓器，不存在漏感與分布參數的影響，勵磁電感無窮大，勵磁電流可以忽略，諧振電感是外加的。

3、 超前橋臂與滯后的諧振電容都相等，即C1=C2=Clead，C3=C4=Clag。

次級續流電感通過匝比折算到初級的電感量LS`遠遠大于諧振電感的感量Lr即LS=Lr*n2》Lr。

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，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這12個工作模態的情況，揭開移相全橋的神秘面紗。

工作模態一：正半周期功率輸出過程

此時T1與T4同時導通，T2與T3同時關斷，原邊電流的流向是T1—Lp—Lk—T4。
此時的輸入電壓幾乎全部降落在圖中的A,B兩點上，即UAB=Vin, 此時AB兩點的電感量除了有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，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，VD2關斷，變壓器原邊向負載提供能量，同時給輸出電感Lf與輸出電容Cf儲能。（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

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，變壓器原邊的電流仍然需要維持原來的方向，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Lk，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0V，D2開始導通。
在t2時刻之前，C1充滿電，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

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0V，此時將T2打開，就實現了超前臂下管T2的ZVS開通；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，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td，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C3放電到0V，即
td ≥△t= t2-t1=2 Clead * Vin/ Ip
此時， UC1=UC3=Vin ， UA=UB=UAB=0V