移相全桥变换器原理及优缺点

一、引言在中大功率 DC-DC 变换领域100W~10kW移相全桥Phase-Shifted Full-Bridge, PSFB变换器凭借软开关特性、高效率、高功率密度、低电磁干扰等优势成为当之无愧的主流拓扑。它完美解决了硬开关全桥变换器开关损耗大、EMI 严重的问题同时保留了全桥拓扑变压器利用率高、输出功率大的优点。从服务器电源、通信基站电源到电动汽车车载充电机、工业电源模块移相全桥变换器无处不在。二、移相全桥的基础认识2.1 拓扑结构移相全桥变换器的基本拓扑结构如下图所示逆变桥由 4 个功率开关管 Q1~Q4 组成分为两个桥臂超前桥臂 Q1/Q3滞后桥臂 Q2/Q4变压器 T实现电气隔离和电压变换谐振电感元件谐振电感Lr常利用变压器漏感 MOS管的寄生电容Coss共同构成谐振网络实现软开关副边整流二极管或同步整流MOSFET 输出LC滤波电路平滑输出电压电流2.2 核心概念移相控制移相全桥与传统硬开关全桥的本质区别在于控制方式传统硬开关全桥对角开关管同时导通通过改变开关管的导通时间占空比调节输出电压移相全桥四个开关管的导通占空比均固定为 50%理想情况通过调节超前桥臂与滞后桥臂之间的移相角即Q1与Q3驱动信号的相位差来改变有效占空比实现零电压开通ZVS以此来控制输出电压相位差 θ0°~180°决定了有效占空比 D当 θ0° 时D1输出电压最大当 θ180° 时D0输出电压为 0。2.3 软开关实现原理移相全桥的最大亮点是零电压开关ZVS开关管在导通前其两端电压已降至零从而消除了开通损耗。ZVS 的实现依赖于谐振电感与开关管寄生电容的谐振过程。在开关管关断后谐振电感的能量会对即将导通的开关管的寄生电容放电同时对刚关断的开关管的寄生电容充电使即将导通的开关管两端电压自然降至零此时再驱动开关管导通即可实现 ZVS。三、移相全桥的详细工作原理为了便于分析我们做以下理想假设所有开关管、二极管均为理想器件输出滤波电感 Lf 足够大输出电流近似为直流 Io变压器励磁电感 Lm 远大于谐振电感 Lr励磁电流可忽略忽略线路寄生参数移相全桥变换器在一个开关周期内有多个工作阶段我们以半个周期为例重点分析 7 个核心阶段阶段 0[t0时刻] 功率传输阶段t0 时刻前Q1 和 Q4 同时导通电流路径Vin → Q1 → Lr → 变压器原边上端 → 变压器原边下端 → Q4 → 地变压器副边Q5 导通Q6 截止能量从原边传输到副边向负载供电原边电流线性上升大小为阶段 1[t0~t1] Q1管关断阶段t0 时刻关断Q1进入超前桥臂换流过程谐振过程原边电流对 Q1 的寄生电容 C1 充电同时对 Q3 的寄生电容 C3 放电当t1时刻C3 两端电压降至 0 时Q3 的体二极管自然导通为 Q3 实现 ZVS 创造条件开关过程Q1和 Q4 之间相位差个移相角此刻开关管 Q4 仍然是导通状态。在该时段里谐振电感Lr 和滤波电感 Lout 是串联的且 Lout 折算到一次侧后其感量很大可以近似认为ip不变类似看作一个恒流源。变压器副边Q5 导通Q6 截止阶段 2[t1~t2] 换流阶段t1 时刻Q3的体二极管导通t1 到 t2 阶段内开通 Q3 实现ZVS谐振过程t1到 t2阶段内开通 Q3Q3导通虽然这时候Q3被开通但Q3并没有电流流过此时仍由 D3 续流。由于是在C3 的电压为零D3 导通后开通的Q3Q3实现零电压开通变压器副边Q5导通Q6 截止阶段 3[t2~t3] 换流阶段t2 时刻Q4 关断进入滞后桥臂换流过程谐振过程原边电流对 Q4 的寄生电容 C4 充电同时对 Q2 的寄生电容 C2 放电当 t3时刻C2 两端电压降至 0 时Q2 的体二极管自然导通为 Q2 实现 ZVS 创造条件。此时 V_{AB} 的极性自零变负变压器副边绕组电势变为上负下正这时同时控制整流管Q6开通下半副边绕组中开始流过电流。由于此时副边整流管Q5和Q6同时导通使得变压器副边绕组电压为零副边绕组处于短路状态原边绕组电压也相应变为零变压器副边D5 和 D6 同时导通变压器原边电压被钳位为 0原边电流保持不变阶段 4[t3~t4] 续流阶段t3 时刻D2 自然导通 t3 到 t4 阶段内实现ZVS零电压下导通工作过程此时Q2 已开通但Q2 并不流过电流原边电流ip仍由 D2续流谐振电感 Lr 的储能返还给输入电源变压器副边D5 和 D6 继续同时导通负载电流由输出滤波电感 Lf 续流阶段 5[t4~t5] 换流阶段t4 时刻Q2和Q3同时导通谐振过程在 t4时刻 ip 减小到零原边电流开始反向流动并不断增大但是 ip 的值还是偏小无法提供负载电流负载电流仍只能由Q5、 Q6两开关管提供回路因此原边绕组两端电压仍然为零加在谐振电感Lr 两端的电压仍是全部的Vinip反向增加到t5 时刻原边电流达到折算到原边的负载电流使其足够向负载提供电流该开关模态结束。变压器副边D5 和 D6 继续同时导通负载电流由输出滤波电感 Lf 续流阶段 6[t5~t6] 功率传输阶段t5 时刻Q2 和 Q3 同时导通谐振过程在 t5时刻 Lr两端电压充满变压器原副边解除短路状态电源再次向负载传递能量直到 t6 时刻 Q3 关断传能阶段结束。变压器副边Q6 导通Q5 截止能量从原边传输到副边向负载供电后半个周期的工作过程与前半个周期对称只是 Q1/Q4 与 Q2/Q3 的角色互换。四、移相全桥的优缺点分析4.1 核心优势高效率所有开关管均实现 ZVS开通损耗几乎为零开关频率可大幅提高高功率密度开关频率提高后变压器、电感等磁性元件的体积和重量显著减小低 EMI开关管电压电流变化率dv/dt、di/dt小电磁干扰大幅降低变压器利用率高变压器工作在双向磁化状态磁芯利用率高输出纹波小输出电压电流纹波频率为开关频率的 2 倍滤波难度降低宽输入范围通过调整移相角适应输入电压大幅波动。4.2 主要局限性存在占空比丢失由于谐振电感的存在电流换流原边电流上升需要时间导致有效占空比小于理论值副边有效占空比小于原边占空比存在环流损耗续流阶段原边存在较大的环流增加了导通损耗滞后桥臂 ZVS 范围窄滞后桥臂的 ZVS 依赖于负载电流轻载时原边电流小无法抽干Coss难以实现 ZVS变压器存在偏磁风险若开关管导通时间不对称变压器会产生直流偏磁导致磁芯饱和副边整流管硬关断副边整流二极管工作在硬关断状态存在反向恢复损耗和电压尖峰需要吸收电路五、移相全桥设计过程中的核心关注点5.1 软开关范围优化软开关范围是移相全桥设计的重中之重直接影响变换器的效率和可靠性。超前桥臂 ZVS 实现条件容易实现即使在空载时也能实现 ZVS滞后桥臂 ZVS 实现条件依赖于负载电流轻载时难以实现优化措施适当增大谐振电感 Lr可拓宽滞后桥臂的 ZVS 范围但会增加占空比丢失和环流损耗采用饱和电感作为谐振电感轻载时电感值大重载时电感值小兼顾 ZVS 范围和占空比丢失增加辅助网络如辅助电感、辅助开关管等在轻载时为滞后桥臂提供额外的 ZVS 能量5.2 占空比丢失问题占空比丢失会导致变换器的调压范围变窄输出能力下降。解决措施尽量减小变压器漏感在满足 ZVS 要求的前提下尽可能减小谐振电感 Lr适当提高变压器变比 n采用有源钳位技术回收漏感能量同时减小占空比丢失5.3 变压器偏磁问题变压器偏磁会导致磁芯饱和原边电流急剧增大烧毁开关管。解决措施在变压器原边串联隔直电容阻断直流分量采用电流型控制方式自动平衡两个半周期的伏秒积增加偏磁检测和保护电路当检测到偏磁时及时关断变换器5.4 副边整流管电压尖峰问题副边整流管关断时由于变压器漏感的存在会产生很高的电压尖峰可能击穿整流管。解决措施在副边整流管两端并联 RC 吸收电路在变压器原边并联 RCD 钳位电路采用有源钳位技术将电压尖峰钳位在安全范围内5.5 环流损耗问题续流阶段原边的环流会增加开关管和变压器的导通损耗。解决措施采用同步整流技术消除副边环流采用有源钳位移相全桥拓扑消除原边环流优化控制策略缩短续流时间总结随着宽禁带半导体器件SiC、GaN的快速发展移相全桥变换器的开关频率将进一步提高功率密度和效率也将得到更大的提升。同时数字控制技术的普及也为移相全桥变换器的优化控制提供了更多可能如自适应死区控制、软开关优化控制等。对于工程师来说深入理解移相全桥变换器的工作原理和设计方法是掌握中大功率电源设计的必备技能。如果本文对你有帮助欢迎点赞、收藏、评论交流后续将持续更新移相全桥的计算、选型方法工程实例。以及其他电源设计中的各类拓扑的硬核教程与实战案例。