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(yíng)公司和政府監(jiān)管部門對(duì)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(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)對(duì)服務(wù)器電源的要求進(jìn)一步升級(jí)，現(xiàn)已涵蓋各種負(fù)載級(jí)別的效率以及待機(jī)功耗。服務(wù)器集群運(yùn)營(yíng)商也對(duì)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(tái)，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(hào)控制器(Digital Signal Controller，DSC)可直接生成用于控制功率電路級(jí)的PWM信號(hào)。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(jí)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(lái)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子诠芾恚⒖蓪?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(jiǎn)單全橋拓?fù)洌缓笥懻撔侍岣卟呗浴?/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(duì)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(jí)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(duì)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(jí)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(jí)。但是，對(duì)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(guò)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(lái)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(duì)復(fù)雜的軟開關(guān)方法來(lái)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(lái)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(jí)設(shè)計(jì)有PSFB拓?fù)?，在次?jí)設(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(jí)傳輸?shù)酱渭?jí)，并且MOSFET Q5仍處于導(dǎo)通狀態(tài)。

由于轉(zhuǎn)換器的次級(jí)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(jí)線圈之間循環(huán)。電流會(huì)通過(guò)MOSFET的通道或通過(guò)MOSFET的內(nèi)部二級(jí)管持續(xù)流經(jīng)變壓器次級(jí)線圈。由于電流會(huì)從次級(jí)反射到初級(jí)，所以在初級(jí)的零狀態(tài)(初級(jí)到次級(jí)無(wú)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(guò)疊加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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。

圖3：同步MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)配置

同步MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的疊加

通過(guò)疊加同步MOSFET的PWM柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可避免在變壓器初級(jí)側(cè)的零狀態(tài)期間發(fā)生損耗。這將在以下三個(gè)方面提高電源效率。

首先，在中心分接的全波整流器中，疊加同步MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)將消除變壓器次級(jí)中心分接線圈中的磁通，這樣在變壓器次級(jí)和初級(jí)之間實(shí)際上不會(huì)有磁通。

其次，兩個(gè)同步MOSFET和兩個(gè)變壓器中心分接線圈同時(shí)導(dǎo)通，而不是一個(gè)同步MOSFET和一個(gè)中心分接變壓器導(dǎo)通。因此，次級(jí)電流將只有一半的有效電阻，與只有一個(gè)同步MOSFET導(dǎo)通的情況相比，損耗會(huì)降低一半。

圖4：疊加同步MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)以提高效率

最后，在傳統(tǒng)的開關(guān)方法中，有意引入的死區(qū)可能為開關(guān)周期的10%，并且在該死區(qū)期間，高次級(jí)電流將流經(jīng)MOSFET的高正向壓降內(nèi)部二極管。通過(guò)配置同步MOSFET的PWM柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)疊加，高次級(jí)電流可流經(jīng)MOSFET通道。在這種情況下，將只有Rds(ON)損耗，其與死區(qū)中MOSFET內(nèi)部二極管導(dǎo)致的損耗相比非常小。對(duì)于具有電信輸入(36至76 VDC)的系統(tǒng)，通過(guò)疊加同步MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，直流-直流轉(zhuǎn)換器的效率將提高3 - 4%.

實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)需要靈活的具有完全獨(dú)立PWM輸出的電源控制器。DSC(例如dsPIC DSC)提供了靈活性以及PWM外設(shè)，可輕松實(shí)現(xiàn)此技術(shù)和其他效率提升技術(shù)。

結(jié)論

PSFB拓?fù)渚哂袑?shí)現(xiàn)現(xiàn)代電源所需效率的潛力。數(shù)字控制使設(shè)計(jì)人員能夠非常精確地控制PSFB拓?fù)浜蛯?shí)現(xiàn)高級(jí)控制技術(shù)(例如疊加同步MOSFET)。新拓?fù)?、新技術(shù)及新理念正在推動(dòng)電源進(jìn)入二十一世紀(jì)。數(shù)字控制器(例如Microchip的dsPIC DSC)已經(jīng)為未來(lái)的電源需求做好了準(zhǔn)備。