相移全桥电路的功率转换效率提升 ー总结ー

本文从工作和电流路径的特点角度,汇总了使用了SJ MOSFET的PSFB电路的效率提升关键要点。

●轻负载时

  • 由于ZVS工作很难成立,所以在导通时很容易发生损耗。
  • 为了减少这种导通损耗,需要调整死区时间(Dead Time)并防止直通电流。
  • 通过选择寄生电容平衡性能优异的MOSFET,可以防止直通电流。
  • 另外,如果栅极阈值电压高,则可以防止误导通。

●重负载时

  • 如果MOSFET的体二极管的trr很大,可能会导致超前臂MOSFET的寄生双极晶体管误导通。
  • 因此,需要使用体二极管的trr较小的MOSFET。

从这些要点来看,对于PSFB电路中使用的SJ MOSFET的要求项目包括:MOSFET要具有快速反向恢复特性(trr),MOSFET寄生电容平衡性能要优异,MOSFET栅极阈值电压要高。

在对使用不同的快速恢复型SJ MOSFET时的效率进行比较后,得出的结论是新一代PrestoMOS™ “R6020JNX(R60xxJNx系列)”在整个负载范围内均表现出了超高的效率。这是因为新一代PrestoMOS™的反向恢复特性在快速恢复型SJ MOSFET领域中达到了业内超高水平,而且栅极阈值电压高,从而使直通电流难以流过,而且还降低了关断损耗。

以下是本系列文章的链接和关键要点。可以通过以下汇总来了解详情。

PSFB电路的基本结构

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Q1和Q2的桥臂称为“超前桥臂”,将Q3和Q4的桥臂为“滞后桥臂”。

PSFB电路的基本工作

关键要点

・了解14种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,工作差会异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,ZVS工作会变得容易成立。

轻负载时开关元件工作相关的注意事项

关键要点

・轻负载时,电流小,LS中积蓄的能量少,因此很有可能在COSS充放电完成之前就开始开关工作,致使ZVS工作无法执行,容易发生MOSFET的导通损耗。

・COSS的充放电未完成可能会导致VDS残留,因此需要设置适当的死区时间(Dead Time)来防止上下桥臂短路引起的直通电流。

・MOSFET的CGD和CGS的某些电容比可能会导致流过直通电流,因此选择该电容比适当的MOSFET很重要。

重负载时中开关元件工作相关的注意事项

关键要点

・在重负载时,如果trr较长,则超前臂关断时,寄生双极晶体管可能会误导通,从而可能损坏MOSFET。

・在PSFB电路中,在反向恢复期间体二极管的偏置电压几乎为0V,因此电荷释放速度变慢,最终导致trr变长。

・在PSFB电路中使用trr小的MOSFET很重要。

・即使是快速恢复型SJ MOSFET,其性能也会因制造商和产品系列而异,因此在选择时需要充分确认。

效率的评估

关键要点

・在MOSFET效率对比中,PrestoMOS™是效率最好的。

・要想提高使用了SJ MOSFET的PSFB电路的效率,重要的是要选择trr尽可能小、开关特性优异的SJ MOSFET。

参考文献[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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