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2022.08.03 Si功率元件

相移全橋電路的功率轉換效率提升 ー總結ー

相移全橋電路的功率轉換效率提升

本文從工作和電流路徑的特點角度,彙整了使用SJ MOSFET的PSFB電路的效率提升關鍵要點。

輕載時

  • ・由於ZVS工作很難成立,所以在導通時很容易發生損耗。
  • ・為了減少這種導通損耗,需要調整死區時間(Dead Time)並防止直通電流。
  • ・透過選擇寄生電容平衡性能優異的MOSFET,可以防止直通電流。
  • ・另外,如果閘極閾值電壓高,則可以防止誤導通。

重載時

  • ・如果MOSFET的Body Diode的trr很大,可能會導致超前臂MOSFET的寄生雙極電晶體誤導通。
  • ・因此,需要使用Body Diode trr較小的MOSFET。

從這些要點來看,對於PSFB電路中使用的SJ MOSFET的要求項目包括:MOSFET要具有快速反向恢復特性(trr),MOSFET寄生電容平衡性能要優異,MOSFET閘極閾值電壓要高。

在對使用不同的快速恢復型SJ MOSFET時的效率進行比較後,得出的結論是新一代PrestoMOS™ “R6020JNX(R60xxJNx系列)”在整個負載範圍內均表現出了超高的效率。這是因為新一代PrestoMOS™的反向恢復特性在快速恢復型SJ MOSFET領域中達到了業內超高水準,而且閘極閾值電壓高,從而使直通電流難以流過,而且還降低了關斷損耗。

以下是本系列文章的連結和關鍵要點。可以透過以下彙整來瞭解詳情。

PSFB電路的基本結構

關鍵要點

・由於相移全橋(PSFB)電路可透過開關元件實現零電壓開關(ZVS)工作,從而可大大降低開關損耗,因而能夠處理更大的功率。

・PSFB切換電路基本上由四個切換元件(MOSFET)組成,並使用變壓器的漏感作為ZVS工作所需的諧振電感。

・為了擴大ZVS工作範圍,有時也可以與變壓器串聯添加電感。在本文中的範例電路中已添加。

・在基本的切換工作中,當Q1和Q2切換ON/OFF狀態之後,Q3和Q4將帶有一定的相位滯後來切換ON/OFF狀態。

・通常,將Q1和Q2的橋臂稱為“超前橋臂”,將Q3和Q4的橋臂為“滯後橋臂”。

PSFB電路的基本工作

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。

輕載時切換元件工作相關的注意事項

關鍵要點

・輕載時,電流小,LS中積蓄的能量少,因此很有可能在COSS的充放電完成之前就開始切換工作,致使ZVS工作無法執行,容易發生MOSFET的導通損耗。

・COSS的充放電未完成可能會導致VDS殘留,因此需要設定適當的Dead Time來防止上下橋臂短路引起的直通電流。

・MOSFET的CGD和CGS的某些電容比可能會導致流過直通電流,因此選擇該電容比適當的MOSFET很重要。

重載時中切換元件工作相關的注意事項

關鍵要點

・在重載時,如果trr較長,則超前臂關斷時,寄生雙載子電晶體可能會誤導通,從而損壞MOSFET。

・在PSFB電路中,在反向恢復期間本體二極體的偏壓幾乎為0V,因此電荷釋放速度變慢,最終導致trr變長。

・在PSFB電路中使用trr小的MOSFET很重要。

・即使是快速恢復型SJ MOSFET,其性能也會因製造商和產品系列而異,因此在選擇時需要充分確認。

效率的評估

關鍵要點

・在SJ MOSFET的效率對比中,PrestoMOS是效率最好的。

・要想提高使用了SJ MOSFET的PSFB電路的效率,重要的是要選擇trr盡可能小、切換特性優異的SJ MOSFET。

參考文獻[1]L.Saro, et al., “High-Voltage MOSFET Behavior I  Soft-Switching Converter: Analysis and Reliability Improvements, ”International Tel-communication Conference, San Francisco, 1998.

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