移相全桥控制的原理分析

在中大功率电源中，现在市面上最流行的拓扑结构可谓是移相全桥和LLC了，工程师们也最喜欢将这它们放在一块作比较，这是由于它们的原边MOS管都可以实现ZVS，从而降低损耗，提高了功率密度。但它们也各有不同的优缺点，这里我们来分析一下移相全桥的工作特点，而LLC在前段时间发的中已分析过，这里就不再详细描述。

移相全桥，顾名思义，首先它的硬件拓扑是一个全桥结构，而“移相”的意思是控制方式采用移相方式。我们知道PWM和PFM的控制原理，那么“移相”控制的控制原理是什么呢？接下来，我们就此说道说道。

UCC2895是经典的移相全桥控制芯片，图1是它datasheet中的时序图。CLOCK是芯片的时钟，决定了芯片工作频率；RAMP与环路输出的COMP信号做比较，决定移相角度大小PWM SIGNGAL，PWM SIGNAL占空比为0时，移相角度为180°，占空比为100%时，移相角度为0。

图1

图2是驱动的信号的接对应MOS管的驱动方法。在PWM驱动方式控制中，一般是直接控制对管的Q1/Q4、Q2/Q3的驱动信号占空比大小。而在移相方式中，不直接改变单个开关管的驱动占空比，而是保持每个开关管驱动占空比为50%，通过改变驱动信号相位的方式来改变对管同时导通时间，从而调节输出。所以实际上“移相”也是一种特殊PWM控制方式。

图1中，OUTPUTA/OUTPUTB相位超前于OUTPUTC/OUTPUTD，所以我们称图2中的Q1和Q2为超前桥臂，Q3和Q4为滞后桥臂。超前桥臂比滞后桥臂更容易实现ZVS，这是为什么呢，后面将会作出解释。

图2

图3

图3展示了移相全桥工作的实现波形图，其中Ip为谐振腔的电流，Vrect为变压器副边电压，其值等于VIN/N，N为变压器匝比。Vrect波形的阴影部分是丢失的波形，即在实际中这部分时间没有能量传递到输出，相当于这部分MOS管的占空比被间接丢失了，导致有效占空比变小，这在设计时应该考虑补偿占空比。

为什么会出现这种现象呢？这是因为这个时间段的原边电流较小，不足于提供输出电流，而副边电感维持输出电流使得D1、D2均导通，相当于副边绕组短路。随着下一组对管的同时导通，电流迅速增大到一定值才能将能能量传递到输出。而此时原边电流增大的速率与谐振电感Lr大小有关，Lr越大，电流增大的速率越小，使得丢失的占空比越大，所以Lr越小越好？讨论这个问题时，我们会涉及到前文提到的“超前桥臂比滞后桥臂更容易实现ZVS”的问题。

首先我们要知道原边MOS管是如何实现ZVS的，它是通过电感电流不能断续的特性来抽取MOS管寄生电容Cds的电能，以此使得在MOS管开通前Vds降为0。例如，图2中，Q1关断后，Lr电流继续流向变压器，在Q2开通前，其电流回路只能通过C1和C2，此时，C1是充电，C2是放电。其实这个时候，不仅是Lr参与抽取电流，输出电感Lo通过变压器映射到原边也参与抽取电流，但对于Q3、Q4的关断时刻，由于丢失占空比，副边绕组相当于短路Lo不能映射到原边，不参与抽取电流，所以Q3、Q4相比于Q1、Q2更难实现ZVS。

综上，谐振电感Lr太大会导致丢失占空比严重，不利于调节控制；Lr太小不利于实现原边MOS管的ZVS，所以在设计时需要综合考量，选择适合Lr。一般可以通过以下两个方程选择Lr的的大小。

其中，Dloss为丢失占空比，fsw为开关频率，Io为输出电流。

最后我们对比一下LLC和移相全桥的异同。

序号	对比项	LLC	移相全桥
1	控制方式	PFM	移相
2	原边MOS管ZVS的实现	在全电压、全负载范围内均可实现	超前桥臂比滞后桥臂容易实现，重载比轻载容易实现。
3	副边整流管ZCS的实现	开关频率小于等于谐振频率时可实现	不能实现
4	EMI问题	较轻	较严重
5	输入（或输出）范围调节能力	较窄	宽
6	是否需要输出电感	否	是
7	同等条件下的效率	较高	较低
8	能否使用半桥拓扑	可以	可以，但需要三电平的半桥拓扑

移相全桥仿真波形