一種移相全橋同步整流電路仿真分析

胡利民，張亞紅

（遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

0 引 言

普通移相全橋零電壓軟開關(guān)主電路中，變壓器次級(jí)整流電路采用二極管全波整流電路。這種電路結(jié)構(gòu)不容易實(shí)現(xiàn)大電流輸出[1]。為了實(shí)現(xiàn)低電壓大電流輸出，可以采用移相全橋同步整流零電壓軟開關(guān)電路。此電路利用變壓器原邊漏電感和功率管的寄生電容或外接電容實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，大大提高了電路效率。變壓器副邊采用導(dǎo)通電阻低的功率MOSFET作為整流器件，降低了損耗，減輕了散熱壓力，實(shí)現(xiàn)了電源產(chǎn)品的小型化[2-3]。

1 移相全橋同步整流主電路

移相全橋同步整流主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。開關(guān)管Q1和Q3構(gòu)成超前橋臂，開關(guān)管Q2和Q4構(gòu)成滯后橋臂。每個(gè)橋臂上下開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，并設(shè)置死區(qū)時(shí)間。兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通角相差一個(gè)相位即移相角，通過(guò)調(diào)節(jié)移相角的大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓值。D1～D4分別是開關(guān)管Q1～Q4的內(nèi)部寄生二極管，C1～C4分別是開關(guān)管Q1～Q4的內(nèi)部寄生電容，L1是變壓器原邊漏電感，即諧振電感。為了實(shí)現(xiàn)大電流輸出，變壓器副邊采用導(dǎo)通電阻低的功率MOSFET（Q5和Q6）作為整流器件。二者工作在正向阻斷而反向?qū)顟B(tài)，用以提高電路效率，減輕散熱壓力，實(shí)現(xiàn)電源產(chǎn)品的小型化[4-5]。為了獲取更大的有效值電流和更高的效率，變壓器副邊采用全波整流模式，即主變壓器副繞組采用帶中心抽頭方式。同步整流管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)采用他激方式。

圖1 移相全橋同步整流主電路

2 移相全橋同步整流電路仿真與分析

本仿真參數(shù)設(shè)置：輸入電壓范圍200～400 VDC，開關(guān)管頻率50 kHz，主開關(guān)管占空比0.45，死區(qū)時(shí)間1 μs；主變壓器原邊電感值250 μH，副邊電感值為3 μH，原副邊耦合系數(shù)0.9，輸出濾波電感L1=10μH、濾波電容C7=2 000μF，輸出電壓13.5 V；諧振電感L2=20μH，變壓器原邊功率管的等效電容1 nF，同步整流管的吸收電阻14 kΩ，吸收電容為1 nF。利用PSPICE仿真軟件搭建的移相全橋同步整流仿真電路[6]，如圖2所示。

3 移相全橋同步整流電路仿真波形與分析

圖3為輸入直流電壓312 VDC，變壓器副邊電壓、同步整流管漏源極電壓/電流、輸出電壓，變壓器原邊電壓波形（負(fù)載1 Ω）；圖4為輸入直流電壓312 VDC，變壓器副邊電壓、同步整流管漏源極電壓/電流，輸出電壓，變壓器原邊電壓波形（負(fù)載0.5 Ω）；圖5為輸入直流電壓312 VDC，變壓器副邊電壓、同步整流管漏源極電壓/電流，輸出電壓，變壓器原邊電壓波形（負(fù)載0.15 Ω）。由圖3、圖4和圖5可知，由于諧振電感和變壓器漏電感的影響，負(fù)載越重，變壓器副邊占空比丟失越嚴(yán)重。占空比的丟失是因?yàn)橥秸鞴軗Q流導(dǎo)致的。諧振電感值和漏電感值越大，占空比丟失越嚴(yán)重。

圖2 移相全橋同步整流仿真電路

圖4 輸入直流電壓312 VDC，變壓器副邊電壓、同步整流管漏源極電壓/電流，輸出電壓，變壓器原邊電壓波形（負(fù)載0.5 Ω）

圖6為輸入直流電壓200 VDC時(shí)，變壓器副邊電壓、同步整流管漏源極電流、輸出電壓、變壓器原邊電壓波形（負(fù)載1 Ω）；圖7為輸入直流電壓400 VDC時(shí)，變壓器副邊電壓、同步整流管漏源極電流、輸出電壓、變壓器原邊電壓波形（負(fù)載1 Ω）。由圖6、圖7可以看出，在負(fù)載一定的條件下，輸入電壓越低，變壓器副邊占空比丟失越嚴(yán)重。

圖5 輸入直流電壓312 VDC，變壓器副邊電壓、同步整流管漏源極電壓/電流，輸出電壓，變壓器原邊電壓波形（負(fù)載0.15 Ω）

圖6 輸入直流電壓200 VDC時(shí)，變壓器副邊電壓、同步整流管漏源極電流、輸出電壓、變壓器原邊電壓波形（負(fù)載1 Ω）

圖7 輸入直流電壓400 VDC時(shí)，變壓器副邊電壓、同步整流管漏源極電流、輸出電壓、變壓器原邊電壓波形（負(fù)載1 Ω）

圖8為輸入直流電壓為400 VDC時(shí)，滯后橋臂上開關(guān)管漏源極電流和電壓波形（負(fù)載為0.135 Ω）；圖9為輸入直流電壓為200 VDC時(shí)，滯后橋臂上開關(guān)管漏源極電壓和電流波形（負(fù)載為1 Ω）；圖10為輸入直流電壓為312 VDC時(shí)，滯后橋臂上開關(guān)管漏源極電流和電壓波形（負(fù)載為0.135 Ω）。由圖8、圖9和圖10可以看出，在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)（200～400 VDC），滯后橋臂均能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。只要滯后橋臂能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，那么超前臂就一定能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。因?yàn)闇髽虮蹖?shí)現(xiàn)軟開關(guān)的電感值較小，只有諧振電感和漏電感參與能量的轉(zhuǎn)換，而超前橋臂實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)是諧振電感和漏電感與濾波電感折算到原邊的值之和參與能量轉(zhuǎn)換。

4 結(jié) 論

移相全橋同步整流電路中由于諧振電感和變壓器漏電感的存在，變壓器副邊占空比會(huì)隨著負(fù)載加大和輸入電壓值減小。分析表明，諧振電感和變壓器漏電感設(shè)計(jì)值只要滿足滯后橋臂上開關(guān)管具有零電壓開關(guān)環(huán)境，超前橋臂上開關(guān)管就將具有零電壓開關(guān)環(huán)境。

圖8 輸入直流電壓為400 VDC時(shí)，滯后橋臂上開關(guān)管漏源極電流和電壓波形（負(fù)載為0.135 Ω）

圖9 輸入直流電壓為200 VDC時(shí)，滯后橋臂上開關(guān)管漏源極電壓和電流波形（負(fù)載為1 Ω）

圖10 輸入直流電壓為312 VDC時(shí)，滯后橋臂上開關(guān)管漏源極電流和電壓波形（負(fù)載為0.135 Ω）