隨著能源價(jià)格的上漲和各項(xiàng)“環(huán)保”計(jì)劃的成功開展，私營公司和政府監(jiān)管部門對電源制造商的要求逐漸提高。歐盟委員會(huì)(歐盟(EU)的執(zhí)行機(jī)構(gòu))和美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)對服務(wù)器電源的要求進(jìn)一步升級，現(xiàn)已涵蓋各種負(fù)載級別的效率以及待機(jī)功耗。服務(wù)器集群運(yùn)營商也對電源制造商提出了類似要求。

由于法規(guī)如此嚴(yán)格，并且還有許多法規(guī)即將出臺，電源制造商正逐漸轉(zhuǎn)向數(shù)字控制。在全數(shù)字解決方案中，完全可編程的數(shù)字信號控制器(Digital Signal Controller,DSC)可直接生成用于控制功率電路級的PWM 信號。同時(shí)，控制器還能處理系統(tǒng)管理任務(wù)，例如數(shù)據(jù)記錄、通信和故障報(bào)告。這樣，電源設(shè)計(jì)人員可以在DSC 中編寫高級控制方法，而在模擬設(shè)計(jì)中，這即便可以實(shí)現(xiàn)也是極為困難的。設(shè)計(jì)人員可利用此功能靈活地實(shí)現(xiàn)最終客戶所需的數(shù)據(jù)記錄和通信標(biāo)準(zhǔn)。

相移全橋(Phase-Shifted Full-Bridge,PSFB)拓?fù)涫且环N有潛力滿足未來電源效率需求的直流-直流轉(zhuǎn)換器。DSC 的靈活性使得不穩(wěn)定的PSFB 拓?fù)涓子诠芾?，并可?shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高PSFB 效率的先進(jìn)技術(shù)。

移相全橋拓?fù)涞谋厝恍?/p>

下面我們將討論高頻工作所必需的簡單全橋拓?fù)?，然后討論效率提高策略?/p>

全橋轉(zhuǎn)換器

如圖1 所示，全橋轉(zhuǎn)換器使用四個(gè)開關(guān)(Q1、Q2、Q3 和Q4)進(jìn)行配置。對角開關(guān)Q1、Q4 和Q2、Q3 同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，將在變壓器的初級繞組上提供完整的輸入電壓(VIN)。在轉(zhuǎn)換器每半個(gè)周期中，對角開關(guān)Q1 和Q4 或Q2 和Q3 導(dǎo)通，并且變壓器的極性會(huì)在每半個(gè)周期中反轉(zhuǎn)。在全橋轉(zhuǎn)換器中，給定功率下的開關(guān)電流和初級電流與半橋轉(zhuǎn)換器相比將減半。這種電流減少使得全橋轉(zhuǎn)換器適用于高功率等級。但是，對角的開關(guān)采用硬開關(guān)，當(dāng)其導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)會(huì)導(dǎo)致較高的開關(guān)損耗。

過去，由于合適的控制器尚未出現(xiàn)，電源工程師不得不使用效率較低的硬開關(guān)電源轉(zhuǎn)換方法。這些方法的損耗隨頻率的增加而增加，因而限制了工作頻率，進(jìn)而限制了電源高效供電的能力。

圖1:全橋轉(zhuǎn)換器

軟開關(guān)全橋(PSFB)拓?fù)?/p>

利用現(xiàn)有DSC,設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可考慮使用更高的工作頻率來減少電源中磁性元件和濾波電容的數(shù)量。頻率的升高會(huì)導(dǎo)致硬開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器(例如傳統(tǒng)全橋轉(zhuǎn)換器)中產(chǎn)生更高的開關(guān)損耗。一種較好的替代方案是選擇相對復(fù)雜的軟開關(guān)方法來減少開關(guān)損耗并提供較高的功率密度。

PSFB 轉(zhuǎn)換器是一種軟開關(guān)拓?fù)?，使用寄生電?例如MOSFET 和IGBT 等開關(guān)器件的輸出電容)和變壓器的漏電感來實(shí)現(xiàn)諧振轉(zhuǎn)換。這種諧振轉(zhuǎn)換可以使開關(guān)器件在接通時(shí)兩端電壓為零，從而消除其接通時(shí)的開關(guān)損耗。

PSFB 轉(zhuǎn)換器已廣泛用于轉(zhuǎn)換器的功率密度和頻率至關(guān)重要的電信和服務(wù)器應(yīng)用中。PSFB 轉(zhuǎn)換器的常規(guī)工作在許多文章中都有介紹，我們將在此基礎(chǔ)上展示DSC 如何進(jìn)一步提高性能。

圖2:相移全橋轉(zhuǎn)換器

帶傳統(tǒng)同步MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)的相移全橋轉(zhuǎn)換器

為確保用戶安全以及符合監(jiān)管機(jī)構(gòu)制定的規(guī)則，大多數(shù)直流-直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)有隔離變壓器。額定值較高的電源在初級設(shè)計(jì)有PSFB 拓?fù)洌诖渭壴O(shè)計(jì)有全波同步整流器，以實(shí)現(xiàn)較高效率。

在PSFB 轉(zhuǎn)換器中，如果使用傳統(tǒng)方法控制的同步MOSFET 配置，則MOSFET 的Q1、Q3 或Q2、Q4 應(yīng)處于導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)，沒有任何功率從初級傳輸?shù)酱渭?，并且MOSFET Q5 仍處于導(dǎo)通狀態(tài)。

由于轉(zhuǎn)換器的次級側(cè)存在電感(Lo)，因此輸出電感中的能量在MOSFET Q5 和變壓器(Tx)的次級線圈之間循環(huán)。電流會(huì)通過MOSFET 的通道或通過MOSFET 的內(nèi)部二級管持續(xù)流經(jīng)變壓器次級線圈。由于電流會(huì)從次級反射到初級，所以在初級的零狀態(tài)(初級到次級無任何能量傳輸)期間將存在環(huán)流，這會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器中出現(xiàn)損耗。與額定輸入電壓的情況相比，這些環(huán)流損耗在較高的電壓下尤其明顯。此外，為避免跨導(dǎo)，在Q5 和Q6 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)之間有意地引入一個(gè)死區(qū)。在此期間，任何同步MOSFET 均不會(huì)導(dǎo)通。因此，電流將流經(jīng)MOSFET 內(nèi)部二極管。與MOSFET 的Rds(ON)相比，這些MOSFET 內(nèi)部二極管具有高正向壓降，即(VF * I)》(I2rms*Rds(on))。

通過疊加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)信號，可防止傳統(tǒng)的同步柵極驅(qū)動(dòng)中產(chǎn)生較高損耗，這將在下一部分中介紹。