本期，我們將介紹通過 PWM 全橋?qū)崿F(xiàn) ZVS的詳細(xì)知識。

全橋轉(zhuǎn)換器

全橋轉(zhuǎn)換器為隔離式電源轉(zhuǎn)換提供了一種高效的解決方案 (圖 1)。在該拓?fù)鋬?nèi)，控制方法的選擇將影響轉(zhuǎn)換器的整體性能。大多數(shù)工程師僅考慮硬開關(guān)全橋 (HSFB) 或相移全橋 (PSFB)。在本期電源設(shè)計(jì)小貼士中，將演示對脈寬調(diào)制 (PWM) 控制的全橋的簡單修改，該全橋可以通過實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān) (ZVS) 來提高效率，并消除變壓器繞組上的諧振振鈴。

圖 1. 同步 HSFB 轉(zhuǎn)換器功率級的示例

HSFB

HSFB 轉(zhuǎn)換器使用兩個(gè)相位相差 180 度的輸出信號（OUTA 和 OUTB）來控制初級側(cè)電橋上的 FET 對角，如圖 1 所示。控制器允許初級側(cè) FET 的三種狀態(tài)：OUTA 為高電平且 OUTB 為低電平，OUTB 為高電平且 OUTA 為低電平，以及 OUTA 和 OUTB 均為低電平。為了保持穩(wěn)壓輸出，控制器會調(diào)節(jié)每種狀態(tài)下花費(fèi)的時(shí)間之比。

圖 2（從上到下）顯示了 OUTA 和 OUTB 信號，初級側(cè)電橋每一側(cè)的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓和初級側(cè)繞組電流。在死區(qū)時(shí)間（OUTA 和 OUTB 均為低電平時(shí)）內(nèi)，開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓會回落到輸入電壓的一半。

圖 2. 在初級側(cè)驅(qū)動對側(cè) FET 的傳統(tǒng)配置 (1μs/div)

當(dāng)死區(qū)時(shí)間內(nèi)沒有初級側(cè) FET 處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，次級電流將繼續(xù)通過同步整流器續(xù)流。此時(shí)，存儲在初級側(cè)的泄漏能量與初級側(cè) FET 的輸出電容諧振，從而在 OUTA 或 OUTB 變?yōu)榈碗娖綍r(shí)產(chǎn)生較大的泄漏尖峰。這種諧振會影響初級側(cè)上的全部四個(gè) FET。圖 3 顯示了泄漏尖峰可以達(dá)到多大。在實(shí)際應(yīng)用中，較大的泄漏尖峰可能導(dǎo)致需要使用耐受更高電壓的元件。

圖 3. 采用傳統(tǒng)配置的初級側(cè)開關(guān)節(jié)點(diǎn) (400ns/div)

采用互補(bǔ)邏輯的替代方法

一種替代方法是在電橋的每一半上使用互補(bǔ)邏輯來控制初級側(cè) FET。在此方法中，PWM 為高電平時(shí)高側(cè) FET 導(dǎo)通，PWM 為低電平時(shí)低側(cè) FET 導(dǎo)通。圖 4 顯示了使用此方法的示意圖。

圖 4. 同步 ZVS 全橋轉(zhuǎn)換器功率級的示例

圖 5 顯示了該方法的 PWM、開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓和初級側(cè)電流。借助初級側(cè)電橋每一側(cè)的互補(bǔ)信號，兩個(gè)低側(cè) FET 現(xiàn)在可在死區(qū)時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通。這使得初級側(cè)電流能夠在傳統(tǒng)方法中的死區(qū)時(shí)間內(nèi)，通過兩個(gè)低側(cè) FET 持續(xù)續(xù)流。

圖 5. 驅(qū)動初級側(cè) FET 的互補(bǔ) PWM (1μs/div)

在初級側(cè)實(shí)現(xiàn)續(xù)流電流有諸多好處。首先，初級側(cè) FET 可實(shí)現(xiàn) ZVS。圖 6 顯示了 ZVS 事件期間全橋一側(cè)的初級側(cè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)和 PWM 邏輯。如果在引入柵極驅(qū)動信號之前，漏源電壓下降到零，即表示實(shí)現(xiàn)了 ZVS。

圖 6. 采用互補(bǔ) PWM 配置的初級側(cè)開關(guān)節(jié)點(diǎn) (400ns/div)

另一項(xiàng)優(yōu)勢是整個(gè)轉(zhuǎn)換器中的噪聲更低。從 圖 3 中的初級側(cè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形到圖 6 時(shí)，消除了大型泄露尖峰和諧振振鈴。次級整流器還可在更改初級側(cè)以實(shí)現(xiàn) ZVS 后降低噪聲。

圖 7 比較了兩種設(shè)計(jì)方案下，次級整流器的漏源電壓。HSFB 變體的振鈴現(xiàn)象明顯更嚴(yán)重，需要通過緩沖器來降低應(yīng)力，但代價(jià)是整體系統(tǒng)效率會降低。在初級側(cè)更改為 ZVS 會導(dǎo)致次級 FET 上的振鈴減少。仍然存在泄漏尖峰，但相比緩沖器，二極管鉗位電路在這種情況下更合適。

圖 7. 傳統(tǒng)配置 (400ns/div)（左）；

使用互補(bǔ) PWM 信號 (1.00μs/div)（右）

修改后的 HSFB 參考設(shè)計(jì)

僅通過引入 ZVS，即可以在各種負(fù)載條件下提高效率。圖 8 比較了修改后的 HSFB 參考設(shè)計(jì)“適用于 100kRad應(yīng)用的 100W、5V 輸出硬開關(guān)全橋轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)”，該參考設(shè)計(jì)在初級側(cè)使用 ZVS 邏輯，并與最初的 HSFB數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。初級側(cè) FET 的邏輯是唯一的變化；初級側(cè) FET 驅(qū)動器的優(yōu)化和次級側(cè)保護(hù)電路的改進(jìn)將進(jìn)一步提升此方法的優(yōu)勢。

圖 8. 傳統(tǒng)方案（TI HSFB 參考設(shè)計(jì) B 版）與 PWM（修改后的電路板）配置在不同輸出功率下的總功率損耗對比

使用互補(bǔ)邏輯

在全橋轉(zhuǎn)換器上使用互補(bǔ)邏輯可以使初級側(cè) FET 實(shí)現(xiàn) ZVS。該方法在提升系統(tǒng)效率方面具有諸多優(yōu)勢，且實(shí)現(xiàn)起來也相對簡單。在測試用例中，標(biāo)準(zhǔn)同步全橋轉(zhuǎn)換器只需調(diào)整邏輯即可生成互補(bǔ)信號。可以使用邏輯或非門進(jìn)行此調(diào)整；或者，HSFB 參考設(shè)計(jì)中使用的一些驅(qū)動器（例如德州儀器(TI) TPS7H6003-SP 柵極驅(qū)動器）具有 PWM 模式：在信號為高電平時(shí)，單個(gè)輸入信號驅(qū)動高側(cè) FET，在信號為低電平時(shí)驅(qū)動低側(cè) FET。控制邏輯的這種細(xì)微變化會顯著提高系統(tǒng)性能。