淺析通過(guò)數(shù)字控制提高DC/DC轉(zhuǎn)換器效率的技術(shù)

　　隨著能源價(jià)格的上漲和各項(xiàng)“環(huán)?！庇?jì)劃的成功開(kāi)展，私營(yíng)公司和政府監(jiān)管部門(mén)對(duì)電源制造商的要求逐漸提高。歐盟委員會(huì)（歐盟（EU）的執(zhí)行機(jī)構(gòu)）和美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）對(duì)服務(wù)器電源的要求進(jìn)一步升級(jí)，現(xiàn)已涵蓋各種負(fù)載級(jí)別的效率以及待機(jī)功耗。服務(wù)器集群運(yùn)營(yíng)商也對(duì)電源制造商提出了類(lèi)似要求。

　　由于法規(guī)如此嚴(yán)格，并且還有許多法規(guī)即將出臺(tái)，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(hào)控制器（Digital Signal Controller，DSC）可直接生成用于控制功率電路級(jí)的PWM 信號(hào)。同時(shí)，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(bào)告。這樣，電源設(shè)計(jì)人員可以在DSC 中編寫(xiě)高級(jí)控制方法，而在模擬設(shè)計(jì)中，這即便可以實(shí)現(xiàn)也是極為困難的。設(shè)計(jì)人員可利用此功能靈活地實(shí)現(xiàn)最終客戶(hù)所需的數(shù)據(jù)記錄和通信標(biāo)準(zhǔn)。

　　相移全橋（Phase-Shifted Full-Bridge，PSFB）拓?fù)涫且环N有潛力滿(mǎn)足未來(lái)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?fù)涓子诠芾恚⒖蓪?shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高PSFB 效率的先進(jìn)技術(shù)。

　　移相全橋拓?fù)涞谋厝恍?/p>

　　下面我們將討論高頻工作所必需的簡(jiǎn)單全橋拓?fù)?，然后討論效率提高策略?/p>

　　全橋轉(zhuǎn)換器

　　如圖1 所示，全橋轉(zhuǎn)換器使用四個(gè)開(kāi)關(guān)（Q1、Q2、Q3 和Q4）進(jìn)行配置。對(duì)角開(kāi)關(guān)Q1、Q4 和Q2、Q3 同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，將在變壓器的初級(jí)繞組上提供完整的輸入電壓（VIN）。在轉(zhuǎn)換器每半個(gè)周期中，對(duì)角開(kāi)關(guān)Q1 和Q4 或Q2 和Q3 導(dǎo)通，并且變壓器的極性會(huì)在每半個(gè)周期中反轉(zhuǎn)。在全橋轉(zhuǎn)換器中，給定功率下的開(kāi)關(guān)電流和初級(jí)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(jí)。但是，對(duì)角的開(kāi)關(guān)采用硬開(kāi)關(guān)，當(dāng)其導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)會(huì)導(dǎo)致較高的開(kāi)關(guān)損耗。

　　過(guò)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(kāi)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(jìn)而限制了電源高效供電的能力。

　　圖1：全橋轉(zhuǎn)換器

　　軟開(kāi)關(guān)全橋（PSFB）拓?fù)?/strong>

　　利用現(xiàn)有DSC，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可考慮使用更高的工作頻率來(lái)減少電源中磁性元件和濾波電容的數(shù)量。頻率的升高會(huì)導(dǎo)致硬開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗。一種較好的替代方案是選擇相對(duì)復(fù)雜的軟開(kāi)關(guān)方法來(lái)減少開(kāi)關(guān)損耗并提供較高的功率密度。

　　PSFB 轉(zhuǎn)換器是一種軟開(kāi)關(guān)拓?fù)洌褂眉纳娙荩ɡ鏜OSFET 和IGBT 等開(kāi)關(guān)器件的輸出電容）和變壓器的漏電感來(lái)實(shí)現(xiàn)諧振轉(zhuǎn)換。這種諧振轉(zhuǎn)換可以使開(kāi)關(guān)器件在接通時(shí)兩端電壓為零，從而消除其接通時(shí)的開(kāi)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(jìn)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(dòng)的相移全橋轉(zhuǎn)換器

　　為確保用戶(hù)安全以及符合監(jiān)管機(jī)構(gòu)制定的規(guī)則，大多數(shù)直流-直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)有隔離變壓器。額定值較高的電源在初級(jí)設(shè)計(jì)有PSFB 拓?fù)?，在次?jí)設(shè)計(jì)有全波同步整流器，以實(shí)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(shí)，沒(méi)有任何功率從初級(jí)傳輸?shù)酱渭?jí)，并且MOSFET Q5 仍處于導(dǎo)通狀態(tài)。

　　由于轉(zhuǎn)換器的次級(jí)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(jí)線(xiàn)圈之間循環(huán)。電流會(huì)通過(guò)MOSFET 的通道或通過(guò)MOSFET 的內(nèi)部二級(jí)管持續(xù)流經(jīng)變壓器次級(jí)線(xiàn)圈。由于電流會(huì)從次級(jí)反射到初級(jí)，所以在初級(jí)的零狀態(tài)（初級(jí)到次級(jí)無(wú)任何能量傳輸）期間將存在環(huán)流，這會(huì)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(dòng)之間有意地引入一個(gè)死區(qū)。在此期間，任何同步MOSFET 均不會(huì)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(guò)疊加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可防止傳統(tǒng)的同步柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)的傳統(tǒng)配置

　　同步MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的疊加

　　通過(guò)疊加同步MOSFET 的PWM 柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可避免在變壓器初級(jí)側(cè)的零狀態(tài)期間發(fā)生損耗。這將在以下三個(gè)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(dòng)信號(hào)將消除變壓器次級(jí)中心分接線(xiàn)圈中的磁通，這樣在變壓器次級(jí)和初級(jí)之間實(shí)際上不會(huì)有磁通。

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

　　圖4：疊加同步MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)以提高效率

　　最后，在傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)方法中，有意引入的死區(qū)可