前言：

因为最近有研究一些三电平的东西，所以找出了15年写的TL移相桥的文章，也算是旧文新发。必须要说的，5年前水平有限哈(但是蛮认真的)，如果有错误请见谅。

正文：3650字 22图  预计阅读时间：10分钟

本文模型基于Orcad pspice A/D 16.6环境，测试可以正常运行。

正文：

三电平的结构能钳位管子两端电压的优点，其实现的原理，已经在昨天发出的《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，对于输出较高电压的应用，如53.5V//60A(输出电流相对较小)，具有好的优势的。但是若是需要做低压大电流，如12V/200A这样，我想移相全桥控制可能会更好一些，毕竟副边能倍流整流。

关于移相和LLC的优缺点，我想大家都非常清楚。我这里就不继续讨论，下文要讲的就是。如何用移相控制方法来实现三电平半桥的MOS实现ZVS工作。下图是三电平半桥的功率级结构，根据三电平结构的开关时序要求。M1和M4要早于M2和M3关闭。在三电平结构的LLC的控制中，为了实现驱动实现的要求，我设计了延迟电路。能实现，当M1关闭后，延时300ns后关闭M2，同时这个300ns时间可调。

(图1 三电平ZVS半桥功率级 )

如果要用移相方法来控制，这种控制方法会发出互补对称的超前桥驱动和互补对称的滞后桥驱动(插入了一定的死区时间)。通过调整全桥对角互补管子的驱动重叠时间，达到控制副边滤波电感上的电压占空比，实现对输出电压的控制。这种控制方法，简直与生俱来的就是为了控制三电平半桥结构的。我们让M1和M4作为超前管，控制信号会让超前管先关闭。钳位二极管D2和D3钳位管子中点(MOS_HALF_A和MOS_HALF_B)的电压为VIN/2。然后控制电路将滞后管M2和M3关闭，实现调整占空比对输出电压控制。与此同时完美的确保了驱动要求的时序，通过合理的死区时间和谐振电感，还能实现软开关工作。

写到这里，读者应该对普通移相全桥控制原理的有所了解(可参见TI出的UCC3895的应用文档)。在下文我只是简单的介绍，移相控制方法在三电平半桥的的工作流程。并不做非常详细的时序介绍，也不做每个时序的工作状态解释。

第一部分 移相控制方法的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，流过谐振电感和变压器返回电容半桥中点(CAP_HB)，(800V ~ CAP_HB)  >  M1&M2>  LR >  TAN  >  CAP_HB。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)的电压加到滤波电感L2上，电感电流线性上升。同时也向负载和输出电容传递电流。根据峰值电流的控制原理，当原边电流的峰值达到反馈给定值后关闭M1。

(图2 超前管关闭时的波形)

2、  然后此时超前管M1关闭，原边电流会受副边电感电流的钳位，其方向会保持不变。M1关闭后，必然会找
一个路径来续流。电流将从M2 > LR > TAN > (C7 & D2)，这个路径流动。钳位二极管在超前管M1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M1关闭后开启。由于电容C7的存在，使超前管在寻找续流路径时，能通过C7将M4管子上的Coss电容放电，能让M4实现ZVS。

(图3 可以看到当超前驱动DRVC关闭后，C7流过了较大的电流，然后(MOS_HALF_B)电压被拉低到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M2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，就要看谐振电感Lr能否将M2和M3两个管子上的Coss中的电荷带走，让(MOS_HALF)的电压从VIN/2下降到零。并且在死区时间内，该节点的电压不能再次上次到高于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上并联电容的意义与思考 》，这里就不在累述。

4、  当谐振电感将(MOS_HALF)的电压拉低到0V后(为什么是零？因为M4作为超前管已经处于导通状态了。)M3的ZVS条件达成，然后M3开通。此时由(CAP_HB ~ GND)的电压为变压器提供电流，此时的工作状态与之前M1和M2开通时，电压方向相反。在反向电压作用下，谐振电感的电流反向，但是谐振电感作为感抗的存在，会阻碍换向时的电流变化率。而且只有变压器的原边电流高于副边电流的折算值后，才能让D4重新导通，原边开始向副边传递电流。从M3导通到副边电感上产生方波电压，这段时间称为占空比丢失时间(Dloss)。

5、  电流从(CAP_HB~GND)>TAN>LR>M3&M4这个路径，开始线性上升，随着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后，M4会关闭。M4关闭后，D3二极管迅速将其两端电压钳位到VIN/2，保证了其电压应力在安全范围之内。在同时，超前管M1在M4关闭后，再延迟死区时间后也会开启。由于M1受D2钳位，M1两端电压会控制在VIN/2。

6、  由于副边电感的作用，此时原边电流方向保持不变。电流将CAP_HB>TAN>LR>M3>D3>CAP_HB，这个路径流动。此时D3会流过电流，工作状态和之前的超前管M1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 可以看到当超前驱动DRVD关闭后，C7流过了较大的电流，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开通之间的死区、谐振电感、Coss电容决定了M2能否ZVS。然后M2开通，由于之前M1已经处于状态状态。所以将有从(800V~CAP_HB)>M1&M2>LR>TAN>CAP_HB的路径流过电流，这个状态又回到了第一个状态。上文，将一个周期的工作过程简单的介绍了一遍。

(图6 流过钳位二极管和变压器的电流、驱动信号)

第二部分 控制模型的建立

控制电路参见我之前的文章《移相全桥的控制模型的建立和仿真》，只是驱动电路和普通全桥有所不同。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。模型采用峰值电流控制模式，电流采集流过变压器的电流。然后用误差放大器的去控制去电流。模型采用了层次化的原理图，方便观察和调试。在需要修改时，进入子电路进行修改。在主电路，能看到的只是一个模块，便于观察和思考。

下面简单的介绍，Orcad // Captrue里面的层次化电路功能。点击Place > Hierarchical Block。得到下图：

图8 子电路的创建)

然后得到一个方框：

(图9 子电路的创建)

再选择这个方框时候点击Place > Hierarchical pin，添加引脚。然后双击该模块，就会进入该模块的层次原理图。比如我建好的这个：

(图10 子电路的创建)

双击就可以进入其层次化原理图模块，可以看到一大堆控制电路，略显蛋疼。

(图10 移相控制的驱动和死区时间控制电路)

仿真0~20ms的上电波形：

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 是副边滤波电感上的电流波形，为了便于观察对其除以了10。

V(MOS_HLAF)/100 是原边MOS中间点的电压，便于观察对其除以了100。

I(L2) 是谐振电感的电流波形，亦为流过原边变压器的电流。

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

V(C6:2) 是PS控制电路，PWM比较器的反向输入电压，代表峰值电流。

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

展开细节：

最后，谢谢观看，有问题可以提出来讨论。

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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