全橋及推挽拓撲分析

1、Full bridge topology隔離型的大功率DC-DC拓撲Full bridge topology analysisFull bridge 電路是一種隔離型電路,典型的DC-AC變換 topology。在UPS中常用于大功率DC-DC變換的中間環(huán)節(jié)。此電路具有的優(yōu)點為：對相同的輸出功率而言，此topology中的變壓器結(jié)構(gòu)相對簡單，體積較?。ㄒ蜃儔浩?的初，次級只需用一組線圈，無需抽頭）。但此電路的MOSFET較多，且上下管驅(qū)動線路必須隔離，因此電路稍嫌復(fù)雜，成本相對較高。該電路存在著兩種工作模式,一種為電流連續(xù)模式,另一種為電流斷續(xù)模式.一、工作原理：此topology中互為對角的

2、兩個MOSFET同時導(dǎo)通,同一側(cè)半橋上下的兩個MOSFET交替導(dǎo)通，輸入的直流電壓逆變?yōu)榉低斎腚妷合嗤慕涣麟妷?加在變壓器一次側(cè)線圈W1,再通過變壓器傳遞能量到二次側(cè)線圈W2，線圈W2上的交流電壓經(jīng)過四個LTOROID IRONCCAPACITORD2MUR86013DCVinD1MUR86013W2UoD4MUR86013D3MUR86013Q1MOSFET213Q4MOSFET213Q3MOSFET213W1Q2MOSFET 213RR loadT1TRANSFORMER1548Full bridge topology analysis二極管全橋整流為直流電壓，直流電壓再經(jīng)電感L和電

3、容C濾波輸出。二、電路的傳輸特性(連續(xù)模式)（設(shè)變壓器1PIN和5PIN為同名端）1、當(dāng)MOSFET Q1，Q3 導(dǎo)通時,此時MOSFET Q2，Q4截止.輸入電能經(jīng)Q1，Q3對變壓器一次側(cè)線圈W1充電，線圈W1電流增長。由于變壓器能量傳遞，在二次側(cè)線圈W2產(chǎn)生相應(yīng)的電能，W2產(chǎn)生的電能經(jīng)D2，D4，濾波電容C和R LOAD再對電感L充電，電感L電流增長。2、當(dāng)MOSFET Q1，Q3進入截止狀態(tài) ，MOSFET Q2，Q4仍處于截止時，變壓器線圈W1此時無電流通過，電流為零。電感L上的電流由于不能突變，因此電感L仍然通過D1，D2。D3，D4續(xù)流。每個二極管流過的電流剛好是電感電流的一半。電

4、感L上的電流逐漸減小. 假若電路在理想工作狀態(tài)下, 二極管壓降忽略，變壓器為理想變壓器，電感L釋放的能量和儲存的能量相同,根據(jù)伏特-秒原理,故有: (Vin*W2/W1-Vo)*ton1 =Vo*ts1-（1） 3、 MOSFET Q1，Q3處于截止狀態(tài) ， MOSFET Q2，Q4導(dǎo)通時,輸入電能經(jīng)Q2，Q4對變壓器一次側(cè)線圈W1充電，線圈W1電流增長。由于變壓器能量傳遞， Full bridge topology analysis在二次側(cè)線圈W2產(chǎn)生相應(yīng)的電能，W2產(chǎn)生的電能經(jīng)D1，D3，濾波電容C和R LOAD再對電感L充電，電感L電流增長。4、MOSFET Q1，Q3處于截止狀態(tài) ，M

5、OSFET Q2，Q4再次進入截止時，變壓器線圈W1此時無電流通過，電流為零。電感L上的電流由于不能突變，因此電感L仍然通過D1，D2,D3，D4續(xù)流。電感L上的電流逐漸減小。同樣，由于電感L釋放的能量和儲存的能量相同,根據(jù)伏特-秒原理,故有： (Vin*W2/W1-Vo)*ton2=Vo*ts2-（2）iLton1iLton2CONTINUE CURRENT MODEtiD1,iD3tts1ttVin/2iL/2Q1,Q3iL/2ttiQ1,iQ3iD2,iD4Q2,Q4tttts2VQ1,VQ3VQ2,VQ4ViniLViniQ2,iQ4Vin/2 Full bridge topology

6、 analysis將（1）式+（2）式，有：(Vin*W2/W1-Vo) *（ton1+ton2)= Vo*(ts1+ts2)因：T=ton1+ton2+ts1+ts2, D= (ton1+ton2)/T因MOSFET Q1，Q3與Q2，Q4導(dǎo)通時間對稱，則輸出電壓有： Vo=Vin*D*W2/W1每個二極管承受的反向電壓為次級線圈W2的電壓： Ur=Vin*W2/W1=Vo/D. 為避免上下臂MOSFET同時導(dǎo)通而造成短路損壞MOSFET，每個MOSFET的DUTY不應(yīng)超過50%，且留有裕量. 三、電路的傳輸特性(斷續(xù)模式) 對于斷續(xù)模式，電路在一個開關(guān)周期內(nèi)相繼經(jīng)歷六個時段，其分別為:1、

7、 MOSFET Q1，Q3 導(dǎo)通時段(ton1), W2產(chǎn)生的電能經(jīng)D2，D4，濾波電容C和RiLton1iLton2DISCONTINUE CURRENT MODEtiD1,iD3ts4tts1ts3ttVin/2iL/2Q1,Q3iL/2tttoff=ton2+ts1+ts2+ts3+ts4iQ1,iQ3iD2,iD4Q2,Q4tttts2VQ1,VQ3VQ2,VQ4ViniLViniQ2,iQ4Vin/2 Full bridge topology analysisLOAD再對電感L充電，電感L電流增長。2、MOSFET Q1，Q2，Q3，Q4均處于截止狀態(tài) ，線圈W1中的電流為零,電感L

8、通過二極管D1,D2,D3,D4續(xù)流時段（ts1)，電感L的電流逐漸下降,并降到為零.3、 MOSFET Q1，Q2，Q3，Q4仍處于截止狀態(tài) ，電感電流保持為零時段（ts2)，此時,電容C向R LOAD充電.4、MOSFET Q2，Q4導(dǎo)通時段(ton2), W2產(chǎn)生的電能經(jīng)D1，D3，濾波電容C和R LOAD再對電感L充電，電感L電流增長。5、 MOSFET Q1，Q2，Q3，Q4均處于截止狀態(tài) ，電感L通過二極管D1,D2,D3,D4續(xù)流時段（ts3),電感L的電流逐漸下降,并降到為零.6、MOSFET Q1，Q2，Q3，Q4仍處于截止狀態(tài) ，電感電流保持為零時段（ts4)，此時,電容C

9、向R LOAD充電,并等待下一個周期導(dǎo)通.故電路在一個開關(guān)周期內(nèi):T=ton1+ton2+ts1+ts2+ts3+ts4, D= (ton1+ton2)/T. 因此,電路處于連續(xù)和斷續(xù)的臨界條件為: ts2=0,ts4=0. 即:ts=ts1+ts3=(1-D)*T. 在所有MOSFET均處于截止時期，電感電流正好下降為零。Push-Pull topology隔離型的小功率DC-DC拓撲 Push-Pull topology analysisPush-Pull topology,俗稱推挽式DC-DC變換器，是一種隔離型電路,因在輸入回路中僅有一個MOSFET的通態(tài)壓降，產(chǎn)生的通態(tài)損耗較小，因此

10、在UPS中常用于低輸入的電池電壓場合。因其在工作時一次只有一個MOSFET在工作，因此其驅(qū)動線路相對簡單。 Push-Pull電路的輸出形式有：1、變壓器次級線圈輸出抽頭+半橋全波整流（見圖示topology輸出形式) 。2、輸出無抽頭+全橋整流(見Full bridge topology 輸出形式）。Push-Pull電路也存在著兩種工作模式,一種為電流連續(xù)模式,另一種為電流斷續(xù)模式.一、電路的傳輸特性(連續(xù)模式) （設(shè)變壓器2PIN，6PIN，4PIN和8PIN為同名端）1、當(dāng)MOSFET Q1導(dǎo)通時, 輸入電能經(jīng)Q1，對變壓器一次側(cè)線圈W1充電，線圈W1電流增長。由于變壓器能量傳遞，在一

11、次側(cè)線圈W2產(chǎn)生相應(yīng)的Q2MOSFET213LTOROID IRONW27UoD2 MUR86013DCVinD1 MUR860133W3TXTRANSFORMER1548Q1MOSFET 213W42RR load6CCAPACITORPush-Pull topologyW1Push-Pull topology analysis電能，在二次側(cè)線圈W3和W4產(chǎn)生相應(yīng)的電能。在設(shè)計中，為求輸出平衡，同時也是為了讓變壓器結(jié)構(gòu)對稱以防止電流偏于某一方向而導(dǎo)致變壓器飽和,因此,在設(shè)計時使：W1=W2,W3=W4. 根據(jù)電磁感應(yīng)的原理(楞次定律),線圈W2的電壓方向為:PIN4(同名端)為正.因此,MO

12、SFET Q2對地的電壓為:VQ2=Vw2+Vw1=2Vin,因此,對PUSH-PULL電路而言,在截止時的MOSFET必須承受的耐壓為兩倍的輸入電壓.線圈W3的電壓方向為:PIN6(同名端)為正,因此二極管D1截止.線圈W4上的電能經(jīng)D2,濾波電容C和R LOAD再對電感L充電，電感L電流增長.2VintVinton2iD1toff=ton2+ts1+ts2tts1VQ1iQ12Vints2iLtViniLiLtVQ2ViniL/2Q1tiQ2VintCONTINUE CURRENT MODEtton1iL/2tiD2Q2t2Vin Push-Pull topology analysis2、

13、當(dāng)MOSFET Q1進入截止狀態(tài) ，MOSFET Q2仍處于截止時，變壓器線圈W1此時無電流通過，電流為零。變壓器次級線圈上的電壓也相應(yīng)為零.由于電感L上的電流不能突變，因此電感L仍然通過D1，D2續(xù)流。每個二極管流過的電流剛好是電感電流的一半。電感L上的電流逐漸減小假若電路在理想工作狀態(tài)下, 二極管壓降忽略，變壓器為理想變壓器，電感L釋放的能量和儲存的能量相同,根據(jù)伏特-秒原理,故有: (Vin*W4/W1-Vo) *ton1 =Vo*ts1-(1)3、 MOSFET Q1處于截止狀態(tài) ， MOSFET Q2導(dǎo)通時,輸入電能經(jīng)Q2對變壓器一次側(cè)線圈W2充電，線圈W2電流增長。由于變壓器能量傳

14、遞，線圈W3上的電能經(jīng)D1,濾波電容C和R LOAD再對電感L充電，電感L電流增長. 4、 MOSFET Q1處于截止狀態(tài) ， MOSFET Q2進入截止時，變壓器線圈W2此時無電流通過，電流為零。變壓器次級線圈上的電壓也相應(yīng)為零.由于電感L上的電流不能突變，因此電感L仍然通過D1，D2續(xù)流。每個二極管流過的電流剛好是電感電流的一半。電感L上的電流逐漸減小. Push-Pull topology analysis假若電路在理想工作狀態(tài)下, 二極管壓降忽略，變壓器為理想變壓器，電感L釋放的能量和儲存的能量相同,根據(jù)伏特-秒原理,故有: (Vin*W3/W2-Vo) *ton2 =Vo*ts2-(

15、2)因W3=W4,W1=W2, ton1=ton2,ts1=ts2，D= (ton1+ton2)/T將（1）式+（2）式，則有：Vo=Vin*D*W4/W1若兩組MOSFET同時導(dǎo)通,就相當(dāng)于變壓器一次側(cè)線圈短路.為避免兩組MOSFET同時導(dǎo)通而造成短路損壞，每組MOSFET的DUTY不應(yīng)超過50%，且留有裕量. 三、電路的傳輸特性(斷續(xù)模式) 對于斷續(xù)模式，電路在一個開關(guān)周期內(nèi)相繼經(jīng)歷六個時段，其分別為:1、 MOSFET Q1導(dǎo)通時段(ton1), 二次側(cè)線圈W4上產(chǎn)生的電能經(jīng)D2,濾波電容C和R LOAD再對電感L充電，電感L電流增長. 2、 MOSFET Q1進入截止狀態(tài) ，MOSFE

16、T Q2仍處于截止，線圈W1中的電流為零,變壓器次級線圈上的電壓也相應(yīng)為零.電感L通過二極管D1,D2續(xù)流時段（ts1),并降到為零.3、 MOSFET Q1，Q2仍處于截止狀態(tài) ，電感電流保持為零時段（ts2)，此時,電容C向R LOAD充電. Push-Pull topology analysis4、MOSFET Q2導(dǎo)通時段(ton2), 二次側(cè)線圈W3上產(chǎn)生的電能經(jīng)D1，濾波電容C和R LOAD再對電感L充電，電感L電流增長。5、 MOSFET Q1處于截止狀態(tài) ， MOSFET Q2進入截止時，電感L通過二極管D1,D2續(xù)流時段（ts3),并降到為零.6、MOSFET Q1，Q2仍處于截止狀態(tài) ，電感電流保持為零時段（ts4)，此時,電容C向R LOAD充電,并等待下一個周期導(dǎo)通.故電路在一個開關(guān)周期內(nèi): T=ton1+ton2+ts1+ts2+