实验三 lr分析器的设计与实现_三电平ZVS半桥的控制模型与仿真 基于PSPICE

前言：

因为最近研究了一些三电平的东西，了15年写的东西。TL移相桥的文章，也算是旧文新发。必须说的是，五年前的水平是有限的(但是很认真)，如果有错误，请原谅。

正文：3650字 22图预计阅读时间：10分钟

基于本文模型Orcad pspice A/D 16.6环境，测试可正常运行。

正文：

三电平的结构可以夹住管道两端电压的优点。实现的原理是昨天发布的三电平半桥LLC的控制模型与仿真》一文中讲的清楚。LLC是的，调频控制增益，原边ZVS和副边ZCS，53.5V//60A(输出电流相对较小)，优势好。但如果需要做低压大电流，比如12V/200A这样，我认为移相全桥的控制可能会更好。毕竟副边可以翻倍整流。

关于移相和LLC我想大家都很清楚优缺点。我不会在这里继续讨论。下面要讲的是。三电平半桥如何通过移相控制实现？MOS实现ZVS工作。根据三电平结构的开关时间要求，下图为三电平半桥的功率级结构。M1和M4要早于M2和M3关闭。三电平结构LLC为了满足驱动实现的要求，我设计了延迟电路。能实现，当M1关闭后，延迟3000ns后关闭M2，同时这个300ns时间可调。

(图1三电平ZVS半桥功率级)

如果需要移相控制，这种控制方法会发出互补对称的超前桥驱动和滞后桥驱动(插入一定的死区时间)。通过调整全桥对角互补管的驱动重叠时间，控制副边滤波电感上的电压比，控制输出电压。这种控制方法天生就是为了控制三电平半桥结构。我们让M1和M4.控制信号作为先进管，将先关闭先进管。钳位二极管D2和D三钳位管中点(MOS_HALF_A和MOS_HALF_B)的电压为VIN/2。然后控制电路将滞后管道M2和M3关闭，实现调整占空比对输出电压控制。同时，通过合理的死区时间和谐振电感，完美保证了驱动要求的时间顺序，实现了软开关工作。

在这里，读者应该了解普通移相全桥的控制原理(见TI出的UCC3895应用文档)。下面我就简单介绍一下三电平半桥移相控制方法的工作流程。不做很详细的时间顺序介绍，也不解释每个时间顺序的工作状态。

第一部分移相控制方法三电平半桥工作流程

1、当M1和M2同时导通原边电流Ip从(800V ~ CAP_HB)电压源流过M1和M2.通过谐振电感和变压器返回半桥中点(CAP_HB)，(800V ~ CAP_HB)> M1&M2> LR> TAN > CAP_HB。此时，原边向副边传输电流，副边整流二极管D1导通，有(VIN/2 *n)滤波电感加电压L电感电流线性上升。此时原边向副边传递电流，副边整流二极管D1导通，有(VIN/2 *n)滤波电感加电压L电感电流线性上升。电流也传输到负载和输出电容器。根据峰值电流的控制原理，当原电流峰值达到反馈给定值时，关闭M1。

(图2超前管关闭时的波形)

2、此时超前管M关闭时，原边电流会受到副边电感电流的钳位，方向会保持不变。M关闭后，必然会发现
一个路径来续流。电流将从M2 > LR > TAN >(C7 & D二、这条路径流动。钳位二极管在超前管M关闭后，成为原边电流的续流路径。随后M2关闭。超前管M4，会在M关闭后打开。由于电容C7的存在使超前管在寻找续流路径时能够通过C7将M4管子上的Coss电容放电，能让M4实现ZVS。

(图3可见当前的超前驱动DRVC关闭后，C7流过大电流，然后(MOS_HALF_B)电压降至0V，随后DRVD驱动M4开通)

(图4流过钳位二极管和变压器的电流)

3、由于M断开后，副边电感电流对原边电流的钳位作用消失。能否实现M3的零电压开关取决于谐振电感Lr能否将M2和M三两根管子Coss带走中间的电荷，让(MOS_HALF)的电压从VIN下降到零。而且在死区时间内，节点的电压不能再次高于0V，否则会失去ZVS的条件。关于谐振电感、占空比丢失、死区时间的计算和选择问题，可以参见我之前发的文章《在移相全桥的原边MOS并联电容的意义和思考》，这里就不讨论了。

4、谐振电感将(MOS_HALF)电压降至0V后(为什么是零？因为M作为超前管，已经处于导通状态。)M3的ZVS然后达到条件M3开通。此时由(CAP_HB ~ GND)电压为变压器提供电流，工作状态与以前相同M1和M打开时，电压方向相反。谐振电感的电流在反向电压的作用下反向，但谐振电感作为感抗的存在会阻碍换向时的电流变化率。此外，只有当变压器的原边电流高于副边电流的转换值时，才能使D4重新导通，原边开始向副边传输电流。从M3导向通向副边电感产生方波电压，称为占空比丢失时间(Dloss)。

5、电流从(CAP_HB~GND)>TAN>LR>M3&M当电流传感器送到控制电路的电流取样值高于误差放大器给定值时，这条路径开始线性上升，M4会关闭。M4关闭后，D三二极管迅速将两端的电压钳放到位VIN/2，确保其电压应力在安全范围内。同时，超前管M1在M4关闭后，延迟死区时间后也会打开。由于M1受D2钳位，M两端电压控制在VIN/2。

6、由于副边电感的作用，原边电流方向保持不变。电流将CAP_HB>TAN>LR>M3>D3>CAP_HB，这条路径流动。此时D3会流过电流、工作状态和以前的超前管M关闭后的情况一致。而且C7也会流过电流，为M1的ZVS创造条件。通过C7流过的电流，将M1的Coss电容充电，M1则能实现ZVS。

(图5可见当前的超前驱动DRVD关闭后，C7流过大电流，然后(MOS_HALF_A)电压被拉低到0V，随后DRVC驱动M1开通)

7、随着开关周期的结束，M3会关闭。谐振电感电流会对(MOS_HB)节点充电，从M3到M2开放之间的死区，谐振电感，Coss电容决定了M2能否ZVS。然后M因为以前，2开放M已处于状态。所以会有从(800V~CAP_HB)>M1&M2>LR>TAN>CAP_HB路径流过电流，这种状态又回到了第一个状态。以上简要介绍了一个周期的工作流程。

(图6流过钳位二极管和变压器的电流和驱动信号)

第二部分 建立控制模型

控制电路见我之前的文章《移相全桥控制模型的建立与模拟》，但驱动电路与普通全桥不同。将M1和M4连接到超前驱动信号，M2和M3连接到滞后驱动信号。该模型采用峰值电流控制模式，通过变压器采集电流。然后用误差放大器控制去电流。模型采用层次化原理图，便于观察和调试。需要修改时，进入子电路进行修改。在主电路中，只能看到一个模块，便于观察和思考。

以下简要介绍，Orcad // Captrue内层电路功能。Place > Hierarchical Block。得到下图：

图8 创建子电路)

然后得到一个方框：

(图9 创建子电路)

选择此方框时点击此方框Place > Hierarchical pin，添加引脚。然后双击模块，进入模块的层次原理图。例如，我建造了这个：

(图10 创建子电路)

双击即可进入其层次化原理图模块，可见大量控制电路，略显鸡蛋疼痛。

(图10 移相控制驱动和死区时间控制电路)

仿真0~20ms上电波形：

展开细节：

V(Vout)是输出电压

V(VREC)是副边滤波电感上的电压波形

I(L1)/10它是副边滤波电感上的电流波形，为了便于观察，除以10。

V(MOS_HLAF)/100是原边MOS除了100，中间点的电压很容易观察。

I(L2)它是谐振电感的电流波形，也是流过原边变压器的电流。

V(GAIN1:OUT)是PS控制电路的PWM由误差放大器给定的同向输入电压。

V(C6:2)是PS控制电路，PWM反向输入电压代表峰值电流。

第三部分 动态性能测试控制模型
动态性能测试峰值电流模式，10~100A 10ms 切换一次。

展开细节：

最后，谢谢你的观看。有问题可以讨论。

    小节：简单的讨论三电平移相桥的实现方法和控制实现，有关于这一块的更多细节研究将在后续慢慢展开，谢谢。由于是5年前的文章，其相应的模型已经找不到了，但是我仅能找到普通两电平的PSFB模型，基于PSPICE16.6环境，亲测可用哈：

回复关键字：2L_PSFB_1  获得仿真模型

关于移相桥的书籍，可以参考阮新波大佬的书，是国内目前最好的：

关于本人：

  我是杨帅，有多年电源硬件和软件开发经验，熟悉各种电源仿真软件的使用，包括模拟控制方向的Pspice和Simplis，以及数字控制使用Matlab和Plecs。熟悉PSFB，CLLC，DAB，PFC等功率架构的拓扑，控制算法，环路设计。目前是从事车载电源行业，专注在中等功率变换器领域，数年来一直从事电力电子仿真技术研究与应用推广，致力于实现让天下没有难搞的电源仿真而努力。

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