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2021.05.12 Si功率元器件

PSFB电路的基本结构

相移全桥电路的功率转换效率提升

前言

作为Si功率元器件评估篇的第2波,将开始一系列有关Si功率元器件通过PSFB电路进行“相移全桥电路的功率转换效率提升”的文章。

近年来,对于服务器和车载充电器等的电源,要求其能够处理更大功率的需求增加。这类大功率电源中大多采用全桥电路,尤其是相移全桥(Phase Shift Full Bridge,以下称“PSFB”)电路,因其能够在超结MOSFET(以下称“SJ MOSFET”)和IGBT等开关元件导通时实现零电压开关(Zero Voltage Switching,以下称“ZVS”)工作,可以减少开关损耗,故可以处理更大的功率。

伴随电源的大功率发展趋势,提高效率成为很大的课题。通常,即使效率相同,较大功率电源其损耗本身也会较大,因此需要尽可能高的效率。

本系列文章将通过在PSFB电路中使用SJ MOSFET时的电路工作,来说明快速恢复型SJ MOSFET的必要性。此外,还会对具有不同反向恢复特性的SJ MOSFET的效率进行比较,并了解在PSFB电路中反向恢复特性的重要性。

PSFB电路的基本结构

首先来看PSFB电路的基本结构。如果能对这种基本结构有整体印象,将会更容易理解后续的电路工作相关的内容。

为了实现PSFB的特点之一“ZVS”,会使用变压器的漏感作为谐振电感,但是为了扩大ZVS的工作范围,有时也可以与变压器串联添加电感器。在本文中给出的是使用了串联添加电感器LS的电路示例。

接下来请看各开关的ON/OFF时序图。在时序图底部,双头箭头下方的数字是表示电路工作模式的标签。在后续的电路工作说明中使用的模式编号与这里的编号一致。

如时序图所示,当Q1和Q2切换ON/OFF状态之后,Q3和Q4会切换ON/OFF状态(带有一定的相位滞后)。因此,通常将Q1和Q2的桥臂称为“超前桥臂”,而将Q3和Q4的桥臂称为“滞后桥臂”。

关键要点:

・由于相移全桥(PSFB)电路可通过​​开关元件实现零电压开关(ZVS)工作,从而可大大降低开关损耗,因而能够处理更大的功率。

・PSFB开关电路基本上由四个开关元件(MOSFET)组成,并使用变压器的漏感作为ZVS工作所需的谐振电感。

・为了扩大ZVS工作范围,有时也可以与变压器串联添加电感器。在本文中的示例电路中已添加。

・在基本的开关工作中,当Q1和Q2切换ON/OFF状态之后,Q3和Q4将带有一定的相位滞后来切换ON/OFF状态。

・通常,将PSFB开关电路中的Q1和Q2的桥臂称为“超前桥臂”,将Q3和Q4的桥臂为“滞后桥臂”。