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2021.08.11 Si功率元器件

PSFB电路的基本工作

相移全桥电路的功率转换效率提升

PSFB电路中的ZVS工作成立条件是:当组成开关的MOSFET的输出电容COSS放电且正向电流流过Body Diode时,使该MOSFET导通。

图中显示了PSFB电路中Q1~Q4的漏极电流波形和流经一次侧变压器的电流波形。

Q1~Q4的漏极电流和变压器一次侧所流电流的波形

如果设PSFB电路中电流的正向是漏极→源极方向,则可以确认Q1~Q4分别存在流过负向漏极电流的时间段,即正向电流流过MOSFET的Body Diode期间。例如,在Q3中,是Mode(7)部分。由于在此期间漏极电压几乎为0,因此通过在此期间导通来使PSFB电路中的ZVS工作成立。

您还可以看到,超前臂和滞后臂不会产生完全异相的相同形状的电流波形。波形如此不同的原因可以通过该电流波形下方所示的Mode(1)~Mode(14)的电流路径来理解。每种模式的编号和位置对应于上面的时序图。

Mode(1)~Mode(14)的工作和电流路径如下:

  • ・Q1和Q4为ON,Q2和Q3为OFF。
  • ・当Q2和Q3为OFF时,Q2的输出电容COSS_Q2和Q3的输出电容COSS_Q3被充电。
  • ・Vi被施加于一次侧变压器。
  • ・电流流过LS,所以能量被积蓄。
  • ・仅Q1关断(OFF)。
  • ・由于Q1为OFF,因此输出电容COSS_Q1被充电。这使得Q2漏极侧的电位下降,同时COSS_Q2开始放电。
  • ・在COSS_Q1的充电和COSS_Q2的放电完成后,能量仍积蓄在LS中的情况下,电流会流过Q2的Body Diode(DQ2)并开始续流工作。
  • ・由于续流工作,所以不向二次侧供给能量,但受LO的影响,电流会继续流动。由于LO产生的电流对于D1和D2来说是正向的,因此电流会流过这两个二极管。
  • ・Q2导通(ON)。在这个时间点DQ2是导通的,因此Q2的漏极-源极间电压VDS_Q2几乎为0V。即ZVS工作,因此不产生导通损耗。
  • ・Q4关断(OFF)。
  • ・由于Q4的关断,Q4的输出电容COSS_Q4被充电。同时,由于Q3的源极侧电位上升,输出电容COSS_Q3放电。
  • ・在COSS_Q4的充电和COSS_Q3的放电完成后,能量仍积蓄在LS中的情况下,电流流过Q3的Body Diode(DQ3)并开始续流工作。
  • ・Q3导通(ON)。在这个时间点DQ3是导通的,因此Q3的漏极-源极间电压VDS_Q3几乎为0V,即ZVS工作,故不产生导通损耗。
  • ・通过Q3的导通,LS迅速释放能量,电压与Mode(1)~Mode(6)中的IL方向相反,因此电流的方向迅速反转。
  • ・Q2和Q3为ON、Q1和Q4为OFF。
  • ・因此,COSS_Q1和COSS_Q4被充电。
  • ・Vi以与Mode(1)相反的方向被施加于一次侧变压器。
  • ・电流流过LS,所以能量被积蓄。
  • ・关断Q2。
  • ・通过关断Q2,COSS_Q2被充电,同时COSS_Q1放电。
  • ・在COSS_Q2的充电和COSS_Q1的放电完成后,能量仍积蓄在LS中的情况下,电流会流过Q1的Body Diode(DQ1)并开始续流工作。
  • ・由于续流工作,所以不向二次侧供给能量,但受LO的影响,电流会继续流动。由于LO产生的电流对于D1和D2来说是正向的,因此电流会流过这两个二极管。
  • ・Q1导通(ON)。在这个时间点DQ1是导通的,因此Q1的漏极-源极间电压VDS_Q1几乎为0V,即ZVS工作,故不会产生导通损耗。
  • ・关断Q3。
  • ・通过关断Q3,COSS_Q3被充电,同时COSS_Q4放电。
  • ・在COSS_Q3的充电和COSS_Q4的放电完成后,能量仍积蓄在LS中的情况下,电流流过Q4的Body Diode(DQ4)并开始续流工作。
  • ・Q4导通(ON)。在这个时间点DQ4是导通的,因此Q4的漏极-源极间电压VDS_Q4几乎为0V,即ZVS工作,
    故不会产生导通损耗。
  • ・LS迅速释放能量,并施加电压使电流按照与Mode(8)~Mode(13)中的IL相反的方向流动,因此电流的方向迅速反转。

由于电流路径的这种变化,尤其如Mode(7)和(14)的说明中所述,输入电源和LS通过滞后臂上的MOSFET的导通而被串联连接,LS中的能量迅速减少。这种情况不会发生在超前臂中,因此导致超前臂和滞后臂的电流波形产生差异。由于这种电流波形的差异,造成超前臂上的MOSFET和滞后臂上的MOSFET的损耗不同,所产生的热量也不同,因此在进行热设计时需要注意。

如Mode(5)和(6)、(12)和(13)的说明中所述,在滞后臂中,积蓄在LS中的能量必须大于积蓄在MOSFET的COSS中的能量,否则MOSFET的充放电就不会完成,ZVS工作也就不成立。以Mode(5)为例,其条件可以用下列公式(1)来表示。IL1表示Mode(4)结束时的IL,EOSS_Q3和EOSS_Q4分别表示完成Q3和Q4的输出电容的充放电所需的能量。

从公式(1)可以看出,由于IL1在轻负载时较小,因此ZVS工作很难成立,而随着负载变重,ZVS工作变得容易成立。

关键要点:

・了解14种PSFB电路模式所表示的工作状态和电流路径。

・在进行热设计时需要注意,PSFB电路中的工作差异会造成电流波形之间存在差异,超前臂和滞后臂上的MOSFET的损耗会有所不同,所产生的热量也会不同。

・从PSFB电路的ZVS工作成立条件的公式中可以看出,由于IL1在轻负载时较小,故ZVS工作很难成立,而随着负载变重,PSFB电路中 的ZVS工作会变得容易成立。