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

作者: 時(shí)間:2013-09-22 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  隨著能源價(jià)格的上漲和各項(xiàng)“環(huán)保”計(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。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/228256.htm

  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。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)洌缓笥懻撔侍岣卟呗浴?/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。

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

  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。

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  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)洌诖渭?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。

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  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。

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  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


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