¿Cuál es el principio del circuito de puente completo desfasado?
La topología de puente completo con desplazamiento de fase se usa ampliamente en fuentes de alimentación CC-CC aisladas. Su composición de circuito y principio de funcionamiento son principalmente los siguientes:
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La topología de puente completo con desplazamiento de fase adopta un método de control de desplazamiento de fase y utiliza la resonancia de la capacitancia de la unión y la inductancia resonante del dispositivo de potencia para lograr una conmutación suave de frecuencia constante.
El puente completo desfasado tiene dos métodos de implementación: conmutación de voltaje cero (ZVS) y conmutación de corriente cero de voltaje cero (ZVZCS).
ZVZCS no se usa comúnmente debido a su estructura compleja, por lo que este artículo se centrará en el circuito de puente completo desfasado ZVS.
El circuito de puente completo desfasado ZVS puede reducir eficazmente la pérdida de conmutación del tubo de alimentación, aumentar la frecuencia de conmutación y reducir el tamaño del dispositivo. El método de control del circuito es simple y adecuado para una variedad de fuentes de energía de entrada y tipos de carga.
El circuito básico incluye: circuito primario de puente completo, transformador y circuito rectificador secundario, consulte la figura siguiente. Los circuitos secundarios de uso común incluyen el circuito rectificador de onda completa ((a) en la figura siguiente) y el circuito rectificador de puente completo ((b) en la figura siguiente).
La rectificación de puente completo es adecuada principalmente para aplicaciones de alta potencia, mientras que la rectificación de onda completa se puede utilizar para aplicaciones de baja potencia.
El circuito primario de puente completo incluye:
Fuente de CC de entrada Vin, condensador de entrada Cin, dispositivo de conmutación de potencia (Q1~Q4) y inductor resonante Lr, entre los cuales el diodo del cuerpo ( D1~ D4) y la capacitancia de unión parásita (C1~C4) son sus propias partes del dispositivo de conmutación de energía.
Para suprimir la saturación magnética del transformador, algunos circuitos conectarán un condensador de bloqueo de CC en serie después de Lr.
El circuito secundario incluye: diodos rectificadores (DR1~DR4), inductor de filtro (Lf), condensador de filtro (Cf) y carga (Rd).
2. Principio de funcionamiento
▍Método de control PWM
El circuito de puente completo desfasado se divide en brazos de puente delanteros (Q1, Q2) y retrasados. brazos del puente (Q3, Q4), los tubos de interruptor superior e inferior del mismo brazo del puente se encienden a su vez para lograr el control.
Ángulo de cambio de fase: la diferencia de fase de conducción entre los dos tubos de conmutación diagonales (0°~180°). El voltaje de salida se puede ajustar cambiando el ciclo de trabajo del voltaje de salida primario controlando el ángulo de cambio de fase.
Tiempo muerto: intervalo entre la apertura y el cierre de los tubos superior e inferior de un mismo brazo.
Para facilitar el análisis del proceso de funcionamiento del circuito, hacemos las siguientes suposiciones: la capacitancia parásita del tubo del interruptor de alimentación debe satisfacer C1=C2=Clead, C3=C4=Clag; es lo suficientemente grande para satisfacer Lf>>Lr/K? donde K es la relación de espiras primaria y secundaria del transformador es lo suficientemente grande y su voltaje puede considerarse como una fuente de voltaje constante.
▍Análisis del modo de trabajo
Un ciclo del puente completo desfasado contiene 12 modos de trabajo. A continuación se utiliza medio ciclo (t0 ~ t6) como ejemplo para explicar el circuito. El lado secundario es un circuito rectificador de onda completa. Modo de trabajo 1 (t0~t1): Modo de salida de potencia de medio ciclo positivo
En el momento t0, Q1 y Q4 se encienden y VAB está en un estado constante (VAB=Vin La corriente primaria Ip). pasa por Q1, Lr, Q4 suministra energía a la carga y carga los capacitores de unión C2 y C3 al mismo tiempo. DR1 en el lado secundario del transformador se enciende, DR2 se apaga y DR1, Lf y Rd forman un circuito de suministro de energía. La corriente del inductor de filtro Lf aumenta linealmente bajo la acción del voltaje VLf=Vin/n-V0. Modo de trabajo 2 (t1~t2): el modo de resonancia del brazo principal
Q1 se apaga en el momento t1. Debido a la existencia del inductor resonante Lr, la corriente Ip no cambiará repentinamente y permanecerá hacia adelante (A. →B ) fluye, Ip se transfiere desde Q1 a las ramas C1 y C2, cargando C1 y descargando C2, y C1, C2 y Lr resuenan. Debido a los efectos de C1 y C2, Q1 se apaga a voltaje cero. Dado que el inductor resonante Lr y el inductor de filtro equivalente primario Lf están conectados en serie, la inductancia es muy grande y se puede considerar que la corriente primaria Ip es aproximadamente constante, similar a una fuente de corriente constante. Modo de trabajo 3 (t2~t3): Modo de rueda libre de la pinza amperimétrica del lado primario
La carga y descarga de C1 y C2 termina en t2.
En este momento, el voltaje a través de C2 es 0, la corriente circula libremente a través de D2 y el voltaje de fuente de drenaje del interruptor Q2 se fija en 0. En este momento, se puede lograr el encendido de voltaje cero de Q2.
En este momento, VAB es 0 y la corriente primaria Ip aún continúa fluyendo en la dirección original, pero disminuye constantemente. Modo de trabajo 4 (t3~t4): modo de resonancia del brazo del puente retrasado
Q4 se apaga en t3. Ip se transfiere de Q4 a las ramas C3 y C4, cargando C4 y descargando C3, y el inductor resonante Lr resuena con C3 y C4
. Debido a los efectos de C3 y C4, Q4 se apaga a voltaje cero. En este momento, el voltaje entre AB cambia de 0 a negativo (VAB = -VC4) y la fuerza electromotriz inducida del transformador secundario se invierte, lo que hace que el diodo rectificador DR2 conduzca al mismo tiempo. La bobina secundaria del transformador está en cortocircuito. Durante este proceso, la corriente en DR1 continúa disminuyendo y la corriente en DR2 continúa aumentando. Modo de trabajo 5 (t4 ~ t5): modo de fuente de alimentación de retroalimentación de energía resonante
La carga y descarga de C3 y C4 termina en t4. En este momento, VAB=-VC4=-Vin, D3 conduce libre y fija el voltaje de la fuente de drenaje del interruptor Q3 a 0. En este momento, se puede lograr el encendido de voltaje cero de Q3. Los diodos del cuerpo D2 y D3 continúan fluyendo, devolviendo la energía almacenada en el inductor resonante Lr a la fuente de alimentación, y la corriente primaria Ip del transformador disminuye linealmente. Modo de trabajo 6 (t5~t6): modo de cambio lento de corriente del lado primario
En t5, Ip será cero y luego aumentará en la dirección negativa. En este momento, D2 y D3 están apagados y Q2 y Q3 proporcionan una ruta para la corriente primaria. En este momento, la corriente primaria todavía no es suficiente para proporcionar la corriente de carga y el devanado secundario todavía está en estado de cortocircuito. Por lo tanto, el voltaje del devanado primario sigue siendo cero y el voltaje Vin se aplica completamente a ambos extremos de Lr, aumentando linealmente en la dirección inversa. Hasta el momento t6, finaliza la conmutación entre DR1 y DR2, DR1 se corta y luego ingresa al modo de salida de energía del medio ciclo negativo (Q2 y Q3 se encienden de manera estable). El proceso de trabajo del semiciclo negativo es similar al del semiciclo positivo y no se explicará aquí.
Análisis de cuestiones clave
▍La implementación de ZVS en el brazo del puente está por delante de la implementación de ZVS en el brazo principal del puente
Es más fácil de lograr ZVS está por delante del brazo del puente principal debido a que su proceso de carga y descarga del condensador se completa con Lr y el equivalente del lado primario Lf***.
Dado que el equivalente primario Lf es muy grande y la corriente Ip es aproximadamente constante, lo que equivale a una fuente de corriente constante, el condensador paralelo del brazo del puente principal se puede cargar y descargar rápidamente, de modo que incluso bajo una corriente de carga amplia, se puede lograr ZVS.
Al mismo tiempo, el método de control PWM debe garantizar que la zona muerta de la señal de conducción sea mayor que 2CleadVin/Ip. Implementación ZVS del brazo del puente retardado
Durante el proceso ZVS del brazo del puente retardado, el lado secundario está en estado de cortocircuito, Lf no tiene conexión con el transformador original y solo la energía en Lr Se utiliza para realizar conmutación de voltaje cero.
Sin embargo, dado que Lr es mucho más pequeño que Lf y su energía almacenada es limitada, es difícil implementar ZVS en el brazo del puente retrasado. Cuando el convertidor está ligeramente cargado o la inductancia resonante es pequeña, si la energía en Lr no puede cumplir con los requisitos de carga y descarga del capacitor, el brazo del puente retrasado no podrá lograr ZVS.
Para lograr el brazo del puente retrasado ZVS, se deben cumplir las dos condiciones siguientes: El almacenamiento de energía del inductor resonante es mayor que el almacenamiento de energía de la capacitancia de unión del brazo del puente retrasado que participa en la resonancia; El tiempo muerto del interruptor del brazo del puente retardado debe ser menor o igual a un cuarto del período de resonancia (Lr y capacitancia de carga y descarga).
▍Pérdida del ciclo de trabajo del lado secundario
El convertidor CC/CC de puente completo con desplazamiento de fase ZVS perderá el ciclo de trabajo del lado secundario después de que se apague el interruptor del brazo retrasado.
En este momento, la corriente del lado primario se invierte y la corriente de carga ingresa a la etapa de conmutación. La corriente del lado primario es pequeña y no puede suministrar la corriente de carga. Como resultado, ambos tubos rectificadores en el lado secundario. del transformador se encienden y el diodo fija el voltaje a voltaje cero.
Durante este periodo de tiempo, parte de la onda cuadrada de voltaje se perderá, como se muestra en la figura, Dloss=D-Deff.
Los factores que afectan la pérdida del ciclo de trabajo incluyen la inductancia resonante, la corriente de carga, la relación del transformador y el voltaje de entrada.
Aumentar la inductancia resonante agravará la pérdida del ciclo de trabajo, pero reducir la inductancia resonante no favorece el proceso ZVS del tubo de conmutación del brazo retardado, por lo que es necesario seleccionar un Lr apropiado.
Además, reducir la relación del transformador también puede reducir la pérdida del ciclo de trabajo, pero aumentará la pérdida en estado encendido del tubo del interruptor y la tensión soportada del diodo rectificador secundario.
▍Saturación del núcleo del transformador
En el circuito, el tiempo de conducción de Q1 y Q4 no puede ser exactamente el mismo que el de Q2 y Q3
El tiempo de conducción de Q1 y Q4 no puede ser exactamente el mismo que el de Q2 y Q3. caída de voltaje del estado También puede haber diferencias, por lo que el voltaje en el lado primario del transformador no es un voltaje de CA puro, contiene un componente de CC, lo que hará que el núcleo del transformador esté polarizado.
La acumulación de magnetismo de polarización provocará la saturación magnética del transformador, provocando que el transformador no funcione con normalidad e incluso provocando daños en los componentes.
Al diseñar el circuito primario del transformador, conectar un condensador de bloqueo de CC en serie después del inductor resonante puede evitar la saturación magnética del transformador. Este condensador puede eliminar automáticamente la diferencia en el área de voltio-segundo en las direcciones de avance y retroceso, de modo que solo exista el componente de voltaje de CA en el transformador y se suprima el componente de CC.
A la hora de seleccionar un condensador, se recomienda que su caída de tensión sea aproximadamente el 10% de la tensión a través del transformador.
▍El voltaje del diodo rectificador del lado secundario oscila
Una vez completada la conmutación de corriente del lado primario, la fuente de alimentación comienza a suministrar energía a la carga y el diodo rectificador de salida se recupera a la inversa.
En este momento, se producirá resonancia de alta frecuencia entre la inductancia de fuga del transformador, la capacitancia de unión del diodo rectificador y la capacitancia del devanado del transformador.
Durante el proceso de carga y descarga del condensador de unión del rectificador, se producirá una oscilación parásita que aumentará la tensión de voltaje del rectificador, acortará la vida útil de los componentes y provocará graves interferencias electromagnéticas.
Para reducir la oscilación parásita del lado secundario, puede utilizar diodos con velocidad de conmutación rápida, recuperación ultrarrápida y un gran coeficiente de flexibilidad, o agregar algunas redes de amortiguación (como RC, redes de absorción RCD) .
El método más utilizado en la actualidad es agregar un circuito amortiguador de abrazadera de diodo en el lado primario, que puede suprimir la oscilación parásita del puente rectificador y reducir el voltaje máximo experimentado por ambos extremos del diodo.
Las fuentes de alimentación CC-CC aisladas desarrolladas en base a circuitos de puente completo desfasados se utilizan en sistemas de energía, sistemas de medición industriales, dispositivos electrónicos automotrices, revestimiento electrolítico químico, metalurgia, construcción naval, industria militar y otros campos. .
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