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      移相全橋學習筆記(三)

      開關模態十一:諧振結束,原邊電感向電網饋能
      當C3充電到Vin之后,諧振結束,就不再有電流流過C3,C4,轉而D4自然導通,原邊電流通過D4—Lr—D1向電網饋能,其能量來源于儲存在Lr中的能量,此時原邊電流迅速減少,
      ip(t)= -【Ip10- (t-t10)】
      其中 Ip10是t10時刻的原邊電流值
      在t11時刻減少到0。
      此時T4兩端的電壓降為0V,只要在這個時間將T4開啟,那么T4就達到了零電壓開啟的效果。
      對于開關模態11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,諧振電感一定要足夠大,否則諧振能量不夠的話,原邊電流就會畸變。


      在t11時刻,UAB=ULr= UC3=UA=Vin,UB=0V


      開關模態十二:原邊電流從0正向增大

      在t11時刻之前,T4已經導通,在t11時刻原邊電流ip已經上升到0,由于沒有了電流,所以D1,D4自然關斷。
      在t11-t12的時間內,副邊的二極管D1,D2還是同時導通流過電流,將副邊繞組短路,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T1,T4已經導通,原邊電流ip流過T1--Lr—T4,又因為Lr很小,所以原邊電流ip就會正向急劇增大。
      即 ip(t)= - (t-t11)
      在t12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(t12)= - ILf(t12)/n
      在這個開關模態,原邊電流是不傳遞能量的,但副邊卻存在著一個劇烈的換流過程,通過副邊二極管VD2的電流迅速減少,VD1的電流迅速增大,在t12時刻,通過VD2的電流減少到0,通過VD1的電流等于電感電流ILf。


      在t12時刻,原邊的UAB= ULr=UA=UC3=Vin, UB= 0V

      至此,一個完整的移相全橋工作周期分析已經完成。
      其中有一些地方可能有點小小錯誤(歡迎指正),但不影響總體的工作原理分析12個工作模態我先用用圖紙的方式呈現出來了,為了便于分析,我省略了次級繞組的回路分析
      12個工作過程包括:2個正負半周期的功率輸出過程,2個正負半周期的鉗位續流過程,4個諧振過程(包括2個橋臂的諧振過程與2個換流過程),2個原邊電感儲能返回電網過程,最后還有2個變壓器原邊電流上沖或下沖過零結束急變過程。這12個過程就構成了移相全橋的一個完整的工作周期,只要有任何一個過程發生偏離或異常,將會影響到移相全橋的ZVS效果,甚至會導致整個電源不能正常工作。


      接下來說說移相全橋存在的問題


      問題一:滯后臂較難實現ZVS

      n 原因:
      滯后臂諧振的時候,次級繞組短路被鉗位,所以副邊電感無法反射到原邊參加諧振,導致諧振的能量只能由諧振電感提供,如果能量不夠,就會出現無法將滯后臂管子并聯的諧振電容電壓諧振到0V.


      n 解決方法:

      ①、增大勵磁電流。但會增大器件與變壓器損耗。
      ②、增大諧振電感。但會造成副邊占空比丟失更嚴重。
      ③、增加輔助諧振網絡。但會增加成本與體積。


      n 問題二:

      副邊占空比的丟失
      n 原因:
      移相全橋的原邊電流存在著一個劇烈的換流過程,此時原邊電流不足以提供副邊的負載電流,因此副邊電感就會導通另一個二極管續流,即副邊處于近似短路狀態;
      Dloss與諧振電感量大小以及負載RL大小成正比,與輸入電壓大小成反比。


      n 解決方法:

      ①、減少原副邊的匝比。但會造成次級整流管的耐壓增大的后果。
      ②、將諧振電感改為可飽和電感。因為在初級換流的過程中,一旦進入電感的飽和狀態,那么流過電感的電流馬上就會變為飽和電流,而不是線性的減少,這就意味著減少了換流時間,等效于減少了占空比丟失時間。當然我這么解釋看起來有點不好理解,要結合移相全橋的工作過程來理解,還是可以慢慢去體會的

      將PSFB的磁性器件計算方法貼出來。
      n 輸出儲能電感設計:
      移相全橋的輸出儲能電感其實可以看做一個單純的BUCK電感,由于其正負半周期各工作一次,所以其工作頻率等于2倍開關頻率,其計算公式為:
      Lf = Vo *(1-Dmin)/(4*fs* △I)
      上式中的Lf是最小電感,實際取值要大于此值,以保證電流的連續性,如果需要輸出電壓在一定范圍內連續可調的話,則Vo要取Vo(min),即
      Lf = Vo(min) *(1-Dmin)/(4*fs* △I)
      上式Dmin是為了便于理解,實際上移相全橋占空比是不變的,不存在最小占空比的說法:即
      Dmin= Vo(min)/(Vin(max)/n-VLf-VD)

      n 主變壓器設計:
      首先計算出移相全橋的次級輸出最低電壓:
      Vsec(min)=( Vo(max)+VLf+VD)/ Dsec(max)
      初次級的變壓器匝比為:
      n=Vin(min) /Vsec(min)
      選擇變壓器,使用Ap法:
      Ap =Ae*Aw= Po*104 /(4*ƞ*fs*△B*J*Ku*)
      接下來計算變壓器原邊匝數:
      Np= Vin(min)*D(max)/(4*fs*Ae*Bmax)
      那么次級繞組匝數為:
      Ns= Np/n

      n 諧振電感設計:
      附加諧振電感的目的就是為了實現滯后臂開關管的ZVS,如前面的分析,滯后臂諧振時次級電感不能通過變壓器反射到初級,為了保證滯后臂的開關管ZVS,那么諧振電感的能量必須滿足下式:
      LrIp2/2=( Vin2*C上管)/2+( Vin2*C下管)/2= Vin2*Clag
      即 Lr= 2* Vin2*Clag /Ip2
      其中 Lr:諧振電感值
      Vin:輸入電壓
      Clag:滯后橋臂電容(外加電容與MOSFET結電容)
      Ip:滯后橋臂關斷時刻原邊電流大小
      計算還要考慮以下幾點因素:
      ①、Vin應取最高輸入電壓值,保證任意輸入電壓下,滯后橋臂均能實現ZVS。
      ②、考慮在輕載Ip1(10%-20%負載)時刻,需要滯后橋臂仍然需要工作在ZVS狀態。
      ③、輸出電流iLf在某個值(比如2A)時刻,輸出儲能電感電流任然連續或處在臨界點。


      也就是說,輸出儲能電感的脈動電流等于2倍此值

      即 △ iLf = 2 *2A=4A
      那么 Ip=(Ip1+ △iLf /2)/n


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