全桥及推挽拓扑分析

1、Full bridge topology隔离型的大功率DC-DC拓扑Full bridge topology analysisFull bridge 电路是一种隔离型电路,典型的DC-AC变换 topology。在UPS中常用于大功率DC-DC变换的中间环节。此电路具有的优点为：对相同的输出功率而言，此topology中的变压器结构相对简单，体积较小（因变压器 的初，次级只需用一组线圈，无需抽头）。但此电路的MOSFET较多，且上下管驱动线路必须隔离，因此电路稍嫌复杂，成本相对较高。该电路存在着两种工作模式,一种为电流连续模式,另一种为电流断续模式.一、工作原理：此topology中互为对角的

2、两个MOSFET同时导通,同一侧半桥上下的两个MOSFET交替导通，输入的直流电压逆变为幅值同输入电压相同的交流电压,加在变压器一次侧线圈W1,再通过变压器传递能量到二次侧线圈W2，线圈W2上的交流电压经过四个LTOROID IRONCCAPACITORD2MUR86013DCVinD1MUR86013W2UoD4MUR86013D3MUR86013Q1MOSFET213Q4MOSFET213Q3MOSFET213W1Q2MOSFET 213RR loadT1TRANSFORMER1548Full bridge topology analysis二极管全桥整流为直流电压，直流电压再经电感L和电

3、容C滤波输出。二、电路的传输特性(连续模式)（设变压器1PIN和5PIN为同名端）1、当MOSFET Q1，Q3 导通时,此时MOSFET Q2，Q4截止.输入电能经Q1，Q3对变压器一次侧线圈W1充电，线圈W1电流增长。由于变压器能量传递，在二次侧线圈W2产生相应的电能，W2产生的电能经D2，D4，滤波电容C和R LOAD再对电感L充电，电感L电流增长。2、当MOSFET Q1，Q3进入截止状态 ，MOSFET Q2，Q4仍处于截止时，变压器线圈W1此时无电流通过，电流为零。电感L上的电流由于不能突变，因此电感L仍然通过D1，D2。D3，D4续流。每个二极管流过的电流刚好是电感电流的一半。电

4、感L上的电流逐渐减小. 假若电路在理想工作状态下, 二极管压降忽略，变压器为理想变压器，电感L释放的能量和储存的能量相同,根据伏特-秒原理,故有: (Vin*W2/W1-Vo)*ton1 =Vo*ts1-（1） 3、 MOSFET Q1，Q3处于截止状态 ， MOSFET Q2，Q4导通时,输入电能经Q2，Q4对变压器一次侧线圈W1充电，线圈W1电流增长。由于变压器能量传递， Full bridge topology analysis在二次侧线圈W2产生相应的电能，W2产生的电能经D1，D3，滤波电容C和R LOAD再对电感L充电，电感L电流增长。4、MOSFET Q1，Q3处于截止状态 ，M

5、OSFET Q2，Q4再次进入截止时，变压器线圈W1此时无电流通过，电流为零。电感L上的电流由于不能突变，因此电感L仍然通过D1，D2,D3，D4续流。电感L上的电流逐渐减小。同样，由于电感L释放的能量和储存的能量相同,根据伏特-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将（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与Q2，Q4导通时间对称，则输出电压有： Vo=Vin*D*W2/W1每个二极管承受的反向电压为次级线圈W2的电压： Ur=Vin*W2/W1=Vo/D. 为避免上下臂MOSFET同时导通而造成短路损坏MOSFET，每个MOSFET的DUTY不应超过50%，且留有裕量. 三、电路的传输特性(断续模式) 对于断续模式，电路在一个开关周期内相继经历六个时段，其分别为:1、

7、 MOSFET Q1，Q3 导通时段(ton1), W2产生的电能经D2，D4，滤波电容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再对电感L充电，电感L电流增长。2、MOSFET Q1，Q2，Q3，Q4均处于截止状态 ，线圈W1中的电流为零,电感L

8、通过二极管D1,D2,D3,D4续流时段（ts1)，电感L的电流逐渐下降,并降到为零.3、 MOSFET Q1，Q2，Q3，Q4仍处于截止状态 ，电感电流保持为零时段（ts2)，此时,电容C向R LOAD充电.4、MOSFET Q2，Q4导通时段(ton2), W2产生的电能经D1，D3，滤波电容C和R LOAD再对电感L充电，电感L电流增长。5、 MOSFET Q1，Q2，Q3，Q4均处于截止状态 ，电感L通过二极管D1,D2,D3,D4续流时段（ts3),电感L的电流逐渐下降,并降到为零.6、MOSFET Q1，Q2，Q3，Q4仍处于截止状态 ，电感电流保持为零时段（ts4)，此时,电容C

9、向R LOAD充电,并等待下一个周期导通.故电路在一个开关周期内:T=ton1+ton2+ts1+ts2+ts3+ts4, D= (ton1+ton2)/T. 因此,电路处于连续和断续的临界条件为: ts2=0,ts4=0. 即:ts=ts1+ts3=(1-D)*T. 在所有MOSFET均处于截止时期，电感电流正好下降为零。Push-Pull topology隔离型的小功率DC-DC拓扑 Push-Pull topology analysisPush-Pull topology,俗称推挽式DC-DC变换器，是一种隔离型电路,因在输入回路中仅有一个MOSFET的通态压降，产生的通态损耗较小，因此

10、在UPS中常用于低输入的电池电压场合。因其在工作时一次只有一个MOSFET在工作，因此其驱动线路相对简单。 Push-Pull电路的输出形式有：1、变压器次级线圈输出抽头+半桥全波整流（见图示topology输出形式) 。2、输出无抽头+全桥整流(见Full bridge topology 输出形式）。Push-Pull电路也存在着两种工作模式,一种为电流连续模式,另一种为电流断续模式.一、电路的传输特性(连续模式) （设变压器2PIN，6PIN，4PIN和8PIN为同名端）1、当MOSFET Q1导通时, 输入电能经Q1，对变压器一次侧线圈W1充电，线圈W1电流增长。由于变压器能量传递，在一

11、次侧线圈W2产生相应的Q2MOSFET213LTOROID IRONW27UoD2 MUR86013DCVinD1 MUR860133W3TXTRANSFORMER1548Q1MOSFET 213W42RR load6CCAPACITORPush-Pull topologyW1Push-Pull topology analysis电能，在二次侧线圈W3和W4产生相应的电能。在设计中，为求输出平衡，同时也是为了让变压器结构对称以防止电流偏于某一方向而导致变压器饱和,因此,在设计时使：W1=W2,W3=W4. 根据电磁感应的原理(楞次定律),线圈W2的电压方向为:PIN4(同名端)为正.因此,MO

12、SFET Q2对地的电压为:VQ2=Vw2+Vw1=2Vin,因此,对PUSH-PULL电路而言,在截止时的MOSFET必须承受的耐压为两倍的输入电压.线圈W3的电压方向为:PIN6(同名端)为正,因此二极管D1截止.线圈W4上的电能经D2,滤波电容C和R LOAD再对电感L充电，电感L电流增长.2VintVinton2iD1toff=ton2+ts1+ts2tts1VQ1iQ12Vints2iLtViniLiLtVQ2ViniL/2Q1tiQ2VintCONTINUE CURRENT MODEtton1iL/2tiD2Q2t2Vin Push-Pull topology analysis2、

13、当MOSFET Q1进入截止状态 ，MOSFET Q2仍处于截止时，变压器线圈W1此时无电流通过，电流为零。变压器次级线圈上的电压也相应为零.由于电感L上的电流不能突变，因此电感L仍然通过D1，D2续流。每个二极管流过的电流刚好是电感电流的一半。电感L上的电流逐渐减小假若电路在理想工作状态下, 二极管压降忽略，变压器为理想变压器，电感L释放的能量和储存的能量相同,根据伏特-秒原理,故有: (Vin*W4/W1-Vo) *ton1 =Vo*ts1-(1)3、 MOSFET Q1处于截止状态 ， MOSFET Q2导通时,输入电能经Q2对变压器一次侧线圈W2充电，线圈W2电流增长。由于变压器能量传

14、递，线圈W3上的电能经D1,滤波电容C和R LOAD再对电感L充电，电感L电流增长. 4、 MOSFET Q1处于截止状态 ， MOSFET Q2进入截止时，变压器线圈W2此时无电流通过，电流为零。变压器次级线圈上的电压也相应为零.由于电感L上的电流不能突变，因此电感L仍然通过D1，D2续流。每个二极管流过的电流刚好是电感电流的一半。电感L上的电流逐渐减小. Push-Pull topology analysis假若电路在理想工作状态下, 二极管压降忽略，变压器为理想变压器，电感L释放的能量和储存的能量相同,根据伏特-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将（1）式+（2）式，则有：Vo=Vin*D*W4/W1若两组MOSFET同时导通,就相当于变压器一次侧线圈短路.为避免两组MOSFET同时导通而造成短路损坏，每组MOSFET的DUTY不应超过50%，且留有裕量. 三、电路的传输特性(断续模式) 对于断续模式，电路在一个开关周期内相继经历六个时段，其分别为:1、 MOSFET Q1导通时段(ton1), 二次侧线圈W4上产生的电能经D2,滤波电容C和R LOAD再对电感L充电，电感L电流增长. 2、 MOSFET Q1进入截止状态 ，MOSFE

16、T Q2仍处于截止，线圈W1中的电流为零,变压器次级线圈上的电压也相应为零.电感L通过二极管D1,D2续流时段（ts1),并降到为零.3、 MOSFET Q1，Q2仍处于截止状态 ，电感电流保持为零时段（ts2)，此时,电容C向R LOAD充电. Push-Pull topology analysis4、MOSFET Q2导通时段(ton2), 二次侧线圈W3上产生的电能经D1，滤波电容C和R LOAD再对电感L充电，电感L电流增长。5、 MOSFET Q1处于截止状态 ， MOSFET Q2进入截止时，电感L通过二极管D1,D2续流时段（ts3),并降到为零.6、MOSFET Q1，Q2仍处于截止状态 ，电感电流保持为零时段（ts4)，此时,电容C向R LOAD充电,并等待下一个周期导通.故电路在一个开关周期内: T=ton1+ton2+ts1+ts2+