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2021.11.24 Si功率元件

PSFB電路的基本工作

相移全橋電路的功率轉換效率提升

PSFB電路中的ZVS工作成立條件是:當組成切換的MOSFET的輸出電容COSS放電且正向電流流過Body Diode時,使該MOSFET導通。

圖中顯示了PSFB電路中Q1~Q4的汲極電流波形和流經一次側變壓器的電流波形。

如果設PSFB電路中電流的正向是汲極→源極方向,則可以確認Q1~Q4分別存在流過負向汲極電流的時間段,即正向電流流過MOSFET的Body Diode期間。例如,在Q3中,是Mode(7)部分。由於在此期間汲極電壓幾乎為0,因此透過在此期間導通來使PSFB電路中的ZVS工作成立。

您還可以看到,超前臂和滯後臂不會產生完全異相的相同形狀的電流波形。波形如此不同的原因可以透過該電流波形下方所示的Mode(1)~Mode(14)的電流路徑來理解。每種模式的編號和位置對應於上面的時序圖。

Mode(1)~Mode(14)的工作和電流路徑如下:

  • ・Q1和Q4為ON,Q2和Q3為OFF。
  • ・當Q2和Q3為OFF時,Q2的輸出電容COSS_Q2和Q3的輸出電容COSS_Q3被充電。
  • ・Vi被外加於一次側變壓器。
  • ・電流流過LS,所以能量被積蓄。
  • ・僅Q1關斷(OFF)
  • ・由於Q1為OFF,因此輸出電容COSS_Q1被充電。這使得Q2汲極側的電位下降,同時COSS_Q2開始放電。
  • ・在COSS_Q1的充電和COSS_Q2的放電完成後,能量仍積蓄在LS中的情況下,電流會流過Q2的Body Diode(DQ2)並開始續流工作。
  • ・由於續流工作,所以不向二次側供給能量,但受LO的影響,電流會繼續流動。由於LO產生的電流對於D1和D2來說是正向的,因此電流會流過這兩個二極體。
  • ・Q2導通(ON)。在這個時間點DQ2是導通的,因此Q2的汲極-源極間電壓VDS_Q2幾乎為0V。即ZVS工作,因此不產生導通損耗。
  • ・Q4關斷(OFF)。
  • ・由於Q4的關斷,Q4的輸出電容COSS_Q4被充電。同時,由於Q3的源極側電位上升,輸出電容COSS_Q3放電。
  • ・在COSS_Q4的充電和COSS_Q3的放電完成後,能量仍積蓄在LS中的情況下,電流流過Q3的Body Diode(DQ3)並開始續流工作。
  • ・Q3導通(ON)。在這個時間點DQ3是導通的,因此Q3的汲極-源極間電壓VDS_Q3幾乎為0V,即ZVS工作,故不產生導通損耗。
  • ・透過Q3的導通,LS迅速釋放能量,電壓與Mode(1)~Mode(6)中的IL方向相反,因此電流的方向迅速反轉。
  • ・Q2和Q3為ON、Q1和Q4為OFF。
  • ・因此,COSS_Q1和COSS_Q4被充電。
  • ・Vi以與Mode(1)相反的方向被外加於一次側變壓器。
  • ・電流流過LS,所以能量被積蓄。
  • ・關斷Q2。
  • ・透過關斷Q2,COSS_Q2被充電,同時COSS_Q1放電。
  • ・在COSS_Q2的充電和COSS_Q1的放電完成後,能量仍積蓄在LS中的情況下,電流會流過Q1的Body Diode(DQ1)並開始續流工作。
  • ・由於續流工作,所以不向二次側供給能量,但受LO的影響,電流會繼續流動。由於LO產生的電流對於D1和D2來說是正向的,因此電流會流過這兩個二極體。
  • ・Q1導通(ON)。在這個時間點DQ1是導通的,因此Q1的汲極-源極間電壓VDS_Q1幾乎為0V,即ZVS工作,故不會產生導通損耗。
  • ・關斷Q3。
  • ・透過關斷Q3,COSS_Q3被充電,同時COSS_Q4放電。
  • ・在COSS_Q3的充電和COSS_Q4的放電完成後,能量仍積蓄在LS中的情況下,電流流過Q4的Body Diode(DQ4)並開始續流工作。
  • ・Q4導通(ON)。在這個時間點DQ4是導通的,因此Q4的汲極-源極間電壓VDS_Q4幾乎為0V,即ZVS工作,故不會產生導通損耗。
  • ・LS迅速釋放能量,並外加電壓使電流按照與Mode(8)~Mode(13)中的IL相反的方向流動,因此電流的方向迅速反轉。

由於電流路徑的這種變化,尤其如Mode(7)和(14)的說明中所述,輸入電源和LS透過滯後臂上的MOSFET的導通而被串聯連接,LS中的能量迅速減少。這種情況不會發生在超前臂中,因此導致超前臂和滯後臂的電流波形產生差異。由於這種電流波形的差異,造成超前臂上的MOSFET和滯後臂上的MOSFET的損耗不同,所產生的熱量也不同,因此在進行熱設計時需要注意。

如Mode(5)和(6)、(12)和(13)的說明中所述,在滯後臂中,積蓄在LS中的能量必須大於積蓄在MOSFET的COSS中的能量,否則MOSFET的充放電就不會完成,ZVS工作也就不成立。以Mode(5)為例,其條件可以用下列公式(1)來表示。IL1表示Mode(4)結束時的IL,EOSS_Q3和EOSS_Q4分別表示完成Q3和Q4的輸出電容的充放電所需的能量。

從公式(1)可以看出,由於IL1在輕載時較小,因此ZVS工作很難成立,而隨著負載變重,ZVS工作變得容易成立。

關鍵要點:

・瞭解14種PSFB電路模式所表示的工作狀態和電流路徑。

・在進行熱設計時需要注意,PSFB電路中的工作差異會造成電流波形之間存在差異,超前臂和滯後臂上的MOSFET的損耗會有所不同,所產生的熱量也會不同。

・從PSFB電路的ZVS工作成立條件的公式中可以看出,由於IL1在輕載時較小,故ZVS工作很難成立,而隨著負載變重,PSFB電路中 的ZVS工作會變得容易成立。

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