移相全桥ZVS PWM直流变换器

在早期的大功率电源（输出功率大于1KW）应用中，硬开关全桥(Full-Bridge)拓扑是应用最为广泛的一种，其特点是开关频率固定，开关管承受的电压与电流应力小，便于控制，特别是适合于低压大电流，以及输出电压与电流变化较大的场合。但受制于开关器件的损耗，无法将开关频率提升以获得更高的功率密度。例如：一个5KW的电源，采用硬开关全桥，即使效率做到92%，那么依然还有400W的损耗，那么每提升一个点的效率，就可以减少50W的损耗，特别在多台并机以及长时间运行的系统中，其经济效益相当可观。文章来源：http://www.igbt8.com/bl/392.html
随后，人们在硬开关全桥的基础上，开发出了一种软开关的全桥拓扑——移相全桥(Phase-Shifting Full-Bridge Converter，简称PS FB)，利用功率器件的结电容与变压器的漏感作为谐振元件，使全桥电源的4个开关管依次在零电压下导通(Zero voltage Switching，简称ZVS)，来实现恒频软开关，提升电源的整体效率与EMI性能，当然还可以提高电源的功率密度。利用移相(Phase Shifting，PS)来实现脉宽调制(PWM)，调节输出电压；并实现零电压(ZVS)开通减小开关损耗。

上图是移相全桥的拓扑图，各个元件的意义如下：
Vin：输入的直流电源
T1-T4：4个主开关管，一般是MOSFET或IGBT
        T1,T2称为超前臂开关管，T3,T4称为滞后臂开关管
C1-C4：4个开关管的寄生电容或外加谐振电容
D1-D4：4个开关管的寄生二极管或外加续流二极管
VD1,VD2:电源次级高频整流二极管
TR：移相全桥电源变压器
Lp：变压器原边绕组电感量
Ls1,Ls2:变压器副边电感量
Lr：变压器原边漏感或原边漏感与外加电感的和
Lf：移相全桥电源次级输出续流电感
Cf: 移相全桥电源次级输出电容
R_L: 移相全桥电源次级负载
主电路直流变换和移相控制脉宽
    1)同一半桥的上、下开关管导通时间关系和死区时间  全桥分为左、右两半桥，同一半桥的上、下两功率开关管轮流导通。为使变压器一次侧可获得最大平均电压，每管导通时间Ton应接近于(略小于)0.5T，T为开关周期，占空比赂小于0.5。为了实现ZVS和防止因上、下两开关管共态导通而造成输入电压Ui短路和烧管危险，应有“死区时间”(如0.6us)。
    2)全桥变换器的直流变换  对角线两桥臂的功率开关管，只有都导通时才能将直流输入电压Ui加在变压器一次侧。V1、V4都导通时，Ui正向加在变压器一次侧a、b两端(见图5-48a，图中以S1、S4代替开关管)。V2、V3都导通时，Ui反向加在变压器一次侧g a、b两端(见团5-48f)。这样反复，变压器获得交流电压。Cb为一次侧隔直(Blocking)电容，防止脉宽不对称时变压器有直流磁化。二次交流电压经VD5、VD6整流，Lo、Co滤波后，输出直流电压Uo。
    3)移相控制实现脉宽调制(PWM)  每只开关管的导通时间(驱动脉宽)不变，桥的对角线上两管导通时间的相位差可变，称为移相。
因为是做理论分析，所以要将一些器件的特性理想化，具体如下：
1、    假设所有的开关管为理想元件，开通与关断不存在延迟，导通电阻无穷小；开关管的体二极管或者外部的二极管也为理想元件，其开通与关断不存在延迟，正向压降为0。
2、    所有的电感，电容都为理想元件，不存在寄生参数，变压器也为理想变压器，不存在漏感与分布参数的影响，励磁电感无穷大，励磁电流可以忽略，谐振电感是外加的。
3、    超前桥臂与滞后的谐振电容都相等，即C1=C2=C_lead，C3=C4=C_lag。
次级续流电感通过匝比折算到初级的电感量L_S`远远大于谐振电感的感量L<sub>r</sub>，即L<sub>S</sub>`=L_f*n²》L_r。