數(shù)字控制器提高DC/DC效率的策略分析

隨著能源價格的上漲和各項“環(huán)?！庇媱澋某晒﹂_展，私營公司和政府監(jiān)管部門對電源制造商的要求逐漸提高。歐盟委員會（歐盟（EU）的執(zhí)行機構(gòu)）和美國環(huán)境保護署（EPA）對服務(wù)器電源的要求進一步升級，現(xiàn)已涵蓋各種負載級別的效率以及待機功耗。服務(wù)器集群運營商也對電源制造商提出了類似要求。

由于法規(guī)如此嚴格，并且還有許多法規(guī)即將出臺，電源制造商正逐漸轉(zhuǎn)向數(shù)字控制。在全數(shù)字解決方案中，完全可編程的數(shù)字信號控制器（Digital Signal Controller，DSC）可直接生成用于控制功率電路級的PWM 信號。同時，控制器還能處理系統(tǒng)管理任務(wù)，例如數(shù)據(jù)記錄、通信和故障報告。這樣，電源設(shè)計人員可以在DSC 中編寫高級控制方法，而在模擬設(shè)計中，這即便可以實現(xiàn)也是極為困難的。設(shè)計人員可利用此功能靈活地實現(xiàn)最終客戶所需的數(shù)據(jù)記錄和通信標準。

相移全橋（Phase-Shifted Full-Bridge，PSFB）拓撲是一種有潛力滿足未來電源效率需求的直流-直流轉(zhuǎn)換器。DSC的靈活性使得不穩(wěn)定的PSFB 拓撲更易于管理，并可實現(xiàn)進一步提高PSFB效率的先進技術(shù)。

移相全橋拓撲的必然性

下面我們將討論高頻工作所必需的簡單全橋拓撲，然后討論效率提高策略。

全橋轉(zhuǎn)換器

如圖1 所示，全橋轉(zhuǎn)換器使用四個開關(guān)（Q1、Q2、Q3 和Q4）進行配置。對角開關(guān)Q1、Q4 和Q2、Q3 同時導(dǎo)通時，將在變壓器的初級繞組上提供完整的輸入電壓（VIN）。在轉(zhuǎn)換器每半個周期中，對角開關(guān)Q1 和Q4 或Q2 和Q3 導(dǎo)通，并且變壓器的極性會在每半個周期中反轉(zhuǎn)。在全橋轉(zhuǎn)換器中，給定功率下的開關(guān)電流和初級電流與半橋轉(zhuǎn)換器相比將減半。這種電流減少使得全橋轉(zhuǎn)換器適用 于高功率等級。但是，對角的開關(guān)采用硬開關(guān)，當(dāng)其導(dǎo)通和關(guān)斷時會導(dǎo)致較高的開關(guān)損耗。

過去，由于合適的控制器尚未出現(xiàn)，電源工程師不得不使用效率較低的硬開關(guān)電源轉(zhuǎn)換方法。這些方法的損耗隨頻率的增加而增加，因而限制了工作頻率，進而限制了電源高效供電的能力。

圖1：全橋轉(zhuǎn)換器

軟開關(guān)全橋（PSFB）拓撲

利用現(xiàn)有DSC，設(shè)計人員現(xiàn)在可考慮使用更高的工作頻率來減少電源中磁性元件和濾波電容的數(shù)量。頻率的升高會導(dǎo)致硬開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器（例如傳統(tǒng)全橋轉(zhuǎn)換器）中產(chǎn)生更高的開關(guān)損耗。一種較好的替代方案是選擇相對復(fù)雜的軟開關(guān)方法來減少開關(guān)損耗并提供較高的功率密度。

PSFB 轉(zhuǎn)換器是一種軟開關(guān)拓撲，使用寄生電容（例如MOSFET 和IGBT 等開關(guān)器件的輸出電容）和變壓器的漏電感來實現(xiàn)諧振轉(zhuǎn)換。這種諧振轉(zhuǎn)換可以使開關(guān)器件在接通時兩端電壓為零，從而消除其接通時的開關(guān)損耗。

PSFB 轉(zhuǎn)換器已廣泛用于轉(zhuǎn)換器的功率密度和頻率至關(guān)重要的電信和服務(wù)器應(yīng)用中。PSFB 轉(zhuǎn)換器的常規(guī)工作在許多文章中都有介紹，我們將在此基礎(chǔ)上展示DSC 如何進一步提高性能。

圖2：相移全橋轉(zhuǎn)換器

帶傳統(tǒng)同步MOSFET柵極驅(qū)動的相移全橋轉(zhuǎn)換器

為確保用戶安全以及符合監(jiān)管機構(gòu)制定的規(guī)則，大多數(shù)直流-直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計有隔離變壓器。額定值較高的電源在初級設(shè)計有PSFB 拓撲，在次級設(shè)計有全波同步整流器，以實現(xiàn)較高效率。

在PSFB 轉(zhuǎn)換器中，如果使用傳統(tǒng)方法控制的同步MOSFET 配置，則MOSFET 的Q1、Q3 或Q2、Q4 應(yīng)處于導(dǎo)通狀態(tài)。此時，沒有任何功率從初級傳輸?shù)酱渭?，并且MOSFET Q5 仍處于導(dǎo)通狀態(tài)。 由于轉(zhuǎn)換器的次級側(cè)存在電感（Lo），因此輸出電感中的能量在MOSFET Q5 和變壓器（Tx）的次級線圈之間循環(huán)。電流會通過MOSFET 的通道或通過MOSFET的內(nèi)部二級管持續(xù)流經(jīng)變壓器次級線圈。由于電流會從次級反射到初級，所以在初級的零狀態(tài)（初級到次級無任何能量傳輸）期間將存在環(huán)流，這會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器中出現(xiàn)損耗。與額定輸入電壓的情況相比，這些環(huán)流損耗在較高的電壓下尤其明顯。此外，為避免跨導(dǎo)，在Q5 和Q6 MOSFET 柵極驅(qū)動之間有意地引入一個死區(qū)。在此期間，任何同步MOSFET均不會導(dǎo)通。因此，電流將流經(jīng)MOSFET內(nèi)部二極管。與MOSFET的Rds（ON）相比，這些MOSFET 內(nèi)部二極管具有高正向壓降，即（VF * I）》（I2rms*Rds（on））。

通過疊加?xùn)艠O驅(qū)動信號，可防止傳統(tǒng)的同步柵極驅(qū)動中產(chǎn)生較高損耗，這將在下一部分中介紹。

圖3：同步MOSFET 柵極驅(qū)動的傳統(tǒng)配置

同步MOSFET 柵極驅(qū)動信號的疊加

通過疊加同步MOSFET的PWM柵極驅(qū)動信號，可避免在變壓器初級側(cè)的零狀態(tài)期間發(fā)生損耗。這將在以下三個方面提高電源效率。

首先，在中心分接的全波整流器中，疊加同步MOSFET 的柵極驅(qū)動信號將消除變壓器次級中心分接線圈中的磁通，這樣在變壓器次級和初級之間實際上不會有磁通。

其次，兩個同步MOSFET 和兩個變壓器中心分接線圈同時導(dǎo)通，而不是一個同步MOSFET 和一個中心分接變壓器導(dǎo)通。因此，次級電流將只有一半的有效電阻，與只有一個同步MOSFET 導(dǎo)通的情況相比，損耗會降低一半。

圖4：疊加同步MOSFET 柵極驅(qū)動信號以提高效率 最后，在傳統(tǒng)的開關(guān)方法中，有意引入的死區(qū)可能為開關(guān)周期的10%，并且在該死區(qū)期間，高次級電流將流經(jīng)MOSFET的高正向壓降內(nèi)部二極管。通過配置同步MOSFET的PWM 柵極驅(qū)動信號疊加，高次級電流可流經(jīng)MOSFET通道。在這種情況下，將只有Rds（ON）損耗，其與死區(qū)中MOSFET內(nèi)部二極管導(dǎo)致的損耗相比非常小。對于具有電信輸入（36 至76 VDC）的系統(tǒng)，通過疊加同步MOSFET柵極驅(qū)動信號，直流-直流轉(zhuǎn)換器的效率將提高3 - 4%.

實現(xiàn)這些技術(shù)需要靈活的具有完全獨立PWM 輸出的電源控制器。DSC提供了靈活性以及PWM外設(shè)，可輕松實現(xiàn)此技術(shù)和其他效率提升技術(shù)。

結(jié)論

PSFB 拓撲具有實現(xiàn)現(xiàn)代電源所需效率的潛力。數(shù)字控制使設(shè)計人員能夠非常精確地控制PSFB拓撲和實現(xiàn)高級控制技術(shù)（例如疊加同步MOSFET）。新拓撲、新技術(shù)及新理念正在推動電源進入二十一世紀。數(shù)字控制器已經(jīng)為未來的電源需求做好了準備。