移相全橋ZVS PWM直流變換器負(fù)半周工作模式分析

 

開關(guān)模態(tài)七：負(fù)半周期功率輸出過程
如上圖,此時(shí)T2與T3同時(shí)導(dǎo)通，T1與T4同時(shí)關(guān)斷，原邊電流ip的流向是T3—Lk—Lp—T2,如圖所示。
此時(shí)的輸入電壓幾乎全部降落在圖中的B,A兩點(diǎn)上，即UAB=-Vin, 此時(shí)AB兩點(diǎn)的電感量除了圖上標(biāo)示出的Lp與Lk之外，應(yīng)該還有次級(jí)反射回來(lái)的電感LS`（因?yàn)榇藭r(shí)次級(jí)二極管VD2是導(dǎo)通的），即LS`=n2* Lf,由于是按照匝比平方折算回來(lái)，所以LS`會(huì)比Lk大很多，導(dǎo)致Ip上升緩慢，上升電流△Ip為
                 -△Ip=-【 (Vin-n*Uo)*(t7-t6)/( Lk+ LS`)】
此過程中，根據(jù)變壓器的同名端關(guān)系，次級(jí)二極管VD2導(dǎo)通，VD1關(guān)斷，變壓器原邊向負(fù)載提供能量，同時(shí)給輸出電感Lf與輸出電容Cf儲(chǔ)能。（圖中未畫出）
此時(shí)，               UC1 =UC4=UB =Vin    UAB=-Vin
                     UA=0V 開關(guān)模態(tài)八：負(fù)半周期超前臂諧振過程
如上圖，此時(shí)超前橋臂下管T2在t7時(shí)刻關(guān)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(lái)的方向，故電流被轉(zhuǎn)移到C1與C2中，C2被充電，電壓很快會(huì)上升到輸入電壓Vin，而C1的電荷很快就被抽走，C1兩端電壓很快就下降到0V，即將A點(diǎn)的電位鉗位到Vin。
由于次級(jí)折算過來(lái)的感量LS`遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于諧振電感的感量Lk，故基本可以認(rèn)為此是的原邊類似一個(gè)恒流源，此時(shí)的ip基本不變，或下降很小。
C2兩端的電壓由下式給出
            Vc2=︱-Ip︱*(t8-t7)/(C1+C2)= Ip*(t8-t7)/2 Clead
      C1兩端的電壓由下式給出
              Vc1= Vin- 【︱-Ip︱*(t8-t7)/2 Clead】
其中Ip是在模態(tài)8流過原邊電感的電流，在t8時(shí)刻之前，C2上的電壓很快上升到Vin，C1上的電壓很快變成0V，D1開始導(dǎo)通。
在t8時(shí)刻之前，C2充滿電，C1放完電，即 VC2= VC4=VA=VB = Vin  VC1=VAB= 0V
模態(tài)8的時(shí)間為
          △t= t8-t7=2 Clead * Vin/ Ip
注意：此△t時(shí)間要小于死區(qū)時(shí)間，否則將影響ZVS效果。 開關(guān)模態(tài)九：原邊電流負(fù)半周期鉗位續(xù)流過程
如上圖，在t8時(shí)刻二極管D1已經(jīng)完全導(dǎo)通續(xù)流，將超前臂上管T1兩端的電壓鉗位到0V，此時(shí)將T1打開，就實(shí)現(xiàn)了超前臂上管T1的ZVS開通；但此時(shí)的原邊電流仍然是從D1走，而不是T1。
此時(shí)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(shí)電流的下降速度跟副邊電感的電感量有關(guān)。
從超前臂T2關(guān)斷到T1打開這段時(shí)間td，稱為超前臂死區(qū)時(shí)間，為保證滿足T1的ZVS開通條件，就必須讓C1放電到0V，即
           td ≥△t= t9-t8=2 Clead * Vin/ Ip
此時(shí)，    UC2=UC4=UA=UB =Vin   ，  UAB=0V 開關(guān)模態(tài)十：負(fù)半周期滯后臂諧振過程
如圖所示:在T9時(shí)刻將滯后臂上管T3關(guān)斷，在T3關(guān)斷前，C3兩端的電壓為0，所以T3屬于零電壓關(guān)斷。
由于T3的關(guān)斷，原邊電流ip突然失去通路，但由電感的原理我們知道，原邊電流不允許突變，需要維持原來(lái)的方向，以一定的速率減少。所以，原邊電流ip會(huì)對(duì)C3充電，使C3兩端的電壓慢慢往上升，同時(shí)C4開始放電。
即               ip(t)=-I2sinω(t-t9)
                vc3(t)=Zp*︱-I2︱sinω(t-t9)
                 vc4(t)=Vin-Zp*︱-I2︱sinω(t-t9)
其中，-I2：t9時(shí)刻，原邊電流下降之后的電流值
      Zp：滯后臂的諧振阻抗，Zp= )0.5
         ω：滯后臂的諧振角頻率，ω=1/(2Lr*Clag)0.5
同理，原邊的諧振電感Lr與滯后臂的兩個(gè)電容C3,C4諧振，其電壓與電流的關(guān)系就是正弦關(guān)系。
同開關(guān)模態(tài)四分析一樣的道理，由于原邊電壓的反向，根據(jù)同名端的關(guān)系，LS1，LS2同時(shí)出現(xiàn)上正下負(fù)的關(guān)系，此時(shí)VD1開始導(dǎo)通并流過電流；而由于LS2與Lf的關(guān)系，流過LS2與VD2的電流不能馬上減少到0，只能慢慢的減少；而且通過VD1的電流也只能慢慢的增加，所以出現(xiàn)了VD1與VD2同時(shí)導(dǎo)通的情況，即副邊繞組LS1，LS2同時(shí)出現(xiàn)了短路。
而副邊繞組的短路，導(dǎo)致Lf反射到原邊去的通路被切斷，也就是說會(huì)導(dǎo)致原邊參加諧振的電感量由原來(lái)的（Lf*n2+ Lr）迅速減少到只剩Lr，由于L_r比（L_f*n²+ L_r）小很多，所以原邊電流會(huì)迅速減少。
在t10時(shí)刻，原邊的U_AB=U_Lr=V_in，U_B=U_C4=0V, U_A=U_C2=U_C3=V_in 開關(guān)模態(tài)十一：諧振結(jié)束，原邊電感向電網(wǎng)饋能
如圖所示，當(dāng)C3充電到Vin之后，諧振結(jié)束，就不再有電流流過C3,C4,轉(zhuǎn)而D4自然導(dǎo)通，原邊電流通過D4—L_r—D1向電網(wǎng)饋能，其能量來(lái)源于儲(chǔ)存在L_r中的能量，此時(shí)原邊電流迅速減少，
ip(t)= -【Ip10- (t-t10)】
   其中  Ip10是t10時(shí)刻的原邊電流值
在t11時(shí)刻減少到0。
此時(shí)T4兩端的電壓降為0V，只要在這個(gè)時(shí)間將T4開啟，那么T4就達(dá)到了零電壓開啟的效果。
對(duì)于開關(guān)模態(tài)11來(lái)說，諧振周期一定要小于死區(qū)時(shí)間，否則就不能達(dá)到滯后臂的ZVS效果了。但此時(shí)的諧振電感是沒有次級(jí)電感通過匝比反射回來(lái)的，所以只有諧振電感參與了諧振，在設(shè)計(jì)的時(shí)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(huì)畸變。
在t11時(shí)刻，UAB=ULr= UC3=UA=Vin，UB=0V 開關(guān)模態(tài)十二：原邊電流從0正向增大
如圖所示，在t11時(shí)刻之前，T4已經(jīng)導(dǎo)通，在t11時(shí)刻原邊電流ip已經(jīng)上升到0，由于沒有了電流，所以D1，D4自然關(guān)斷。
在t11-t12的時(shí)間內(nèi)，副邊的二極管D1，D2還是同時(shí)導(dǎo)通流過電流，將副邊繞組短路，阻斷輸出電感反射到初級(jí)的途徑，此時(shí)的負(fù)載電流還是由次級(jí)電感與輸出電容提供；同時(shí)，由于原邊的T1，T4已經(jīng)導(dǎo)通，原邊電流ip流過T1--Lr—T4,又因?yàn)長(zhǎng)r很小，所以原邊電流ip就會(huì)正向急劇增大。
即                   ip(t)= - (t-t11)
在t12時(shí)刻，ip達(dá)到最大，等于副邊的電感電流折算到初級(jí)的電流
即                    ip(t12)= - ILf(t12)/n
在這個(gè)開關(guān)模態(tài)，原邊電流是不傳遞能量的，但副邊卻存在著一個(gè)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(shí)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(shí)刻，原邊的UAB= ULr=UA=UC3=Vin, UB= 0V