引言

80+和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)拯救氣候行動(dòng)計(jì)劃(Climate Savers Computing) 給計(jì)算機(jī)電源設(shè)立了一個(gè)強(qiáng)有力的效率標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)的“白金”級(jí)別規(guī)定計(jì)算機(jī)電源在20%額定負(fù)載狀態(tài)下必須有90%的效率，50%額定負(fù)載時(shí)效率必須達(dá)到94%，而在100%負(fù)載時(shí)效率必須達(dá)到91%。為了滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，一些電源設(shè)計(jì)人員選擇使用一個(gè)具有同步整流的相移、全橋接DC/DC轉(zhuǎn)換器。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種比較好的選擇，因?yàn)樗梢栽谥鱂ET上實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)。

市場(chǎng)上有一些脈寬調(diào)制器(PWM)，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是用于控制相移、全橋接轉(zhuǎn)換器，而非驅(qū)動(dòng)同步整流器(QE和QF)。工程師們發(fā)現(xiàn)他們可以通過(guò)PWM控制器的控制信號(hào)OUTA和OUTB來(lái)控制同步FET，這樣便可以在本應(yīng)用中使用這些控制器。圖1顯示了其中一款轉(zhuǎn)換器中的一個(gè)功能示意圖。

圖1 同步整流改進(jìn)型相移、全橋接轉(zhuǎn)換器

問(wèn)題

通過(guò)延遲H橋接(QA、QB、QC、QD)的FET導(dǎo)通，PWM控制器有助于在這些轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)ZVS。FET QA和QB導(dǎo)通和斷開(kāi)轉(zhuǎn)換過(guò)渡之間的延遲(tDelay)會(huì)使同步FET QE和QF同時(shí)斷開(kāi)，從而允許其主體二極管實(shí)施上述導(dǎo)電行為。下列方程式較好地估算了續(xù)流期間QE和QF的主體二極管傳導(dǎo)損耗：

其中POUT為輸出功率，VOUT為輸出電壓，VD為主體二極管的正向壓降，而fs為電感開(kāi)關(guān)頻率。

QE和QF的主體二極管傳導(dǎo)損耗(PDiode)過(guò)多會(huì)使設(shè)計(jì)達(dá)不到“白金”標(biāo)準(zhǔn)。更多詳情，請(qǐng)參見(jiàn)圖1和圖2。如圖所示，OUTA驅(qū)動(dòng)FET QA和QF，而OUTB驅(qū)動(dòng)FET QB和QE。V1為L(zhǎng)OUT和COUT濾波器網(wǎng)絡(luò)輸入的電壓，而VQEd和VQFd為相應(yīng)同步整流器QE和QF的電壓。

圖2 圖1所示轉(zhuǎn)換器的時(shí)序圖

解決方案

若想減少Q(mào)E和QF主體二極管導(dǎo)電，最好是在QA和QB延遲期間(tDelay) 讓這些同步整流器開(kāi)啟。要做到這一點(diǎn)，必須通過(guò)其自有輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)FET QE和QF，其中“導(dǎo)通”時(shí)間而非同步的“斷開(kāi)”時(shí)間會(huì)重疊。圖3顯示了具有6個(gè)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)(OUTA到OUTF)的相移、全橋接轉(zhuǎn)換器的功能示意圖。通過(guò)根據(jù)QA到QD的邊緣，導(dǎo)通和斷開(kāi)OUTE及OUTF，可以產(chǎn)生QE(OUTE)和QF(OUTF)的信號(hào)。表1和圖4顯示了完成這項(xiàng)工作所需的時(shí)序。圖4所示理論波形表明，這種技術(shù)去除了主體二極管導(dǎo)電，其會(huì)在tDelay期間兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)均為斷開(kāi)時(shí)，與圖2所示柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)一起出現(xiàn)。

表1 OUTE和OUTF導(dǎo)通/斷開(kāi)過(guò)渡轉(zhuǎn)換

圖3 使用表1時(shí)序的相移、全橋接轉(zhuǎn)換器??

圖4 減少Q(mào)E和QF體二極管導(dǎo)電的時(shí)序圖

試驗(yàn)結(jié)果

為了查看這種技術(shù)在減少主體二極管導(dǎo)電方面的效果如何，我們對(duì)一個(gè)390-V到12-V相移、全橋接轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了改進(jìn)，旨在通過(guò)圖2和4所示信號(hào)驅(qū)動(dòng)FET。

圖5顯示了同步FET(QE和QF)柵極的波形圖，它們通過(guò)OUTA和OUTB PWM輸出驅(qū)動(dòng)。圖中，在OUTA和OUTB之間的延遲時(shí)間(tDelay) 期間可以觀測(cè)到主體二極管導(dǎo)電。

圖5 QE和QF主體二極管導(dǎo)電波形圖

圖6顯示了同步FET(QE和QF)柵極的波形圖，它們通過(guò)圖3所示OUTE和OUTF信號(hào)驅(qū)動(dòng)。這些信號(hào)都產(chǎn)生自TI新的UCC28950相移、全橋接控制器。圖6表明FET QE和QF導(dǎo)通的同時(shí)主體二極管沒(méi)有導(dǎo)電。盡管仍然可以看到一些主體二極管導(dǎo)電，但沒(méi)有圖5那么多。

圖6 顯示了QE和QF低主體二極管導(dǎo)電的波形圖

我們對(duì)兩種驅(qū)動(dòng)方案(OUTA和OUTB與OUTE和OUTF)從20%到滿負(fù)載條件下600-W DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率進(jìn)行了測(cè)量。在下一頁(yè)的圖7中，顯示了這兩種驅(qū)動(dòng)方案的轉(zhuǎn)換器效率數(shù)據(jù)。我們可以看到，相比使用OUTA和OUTB，在50%到100%負(fù)載時(shí)使用OUTE和OUTF的效率高出約0.4%。0.4%效率增加看起來(lái)似乎并不多，但在設(shè)計(jì)人員努力想要達(dá)到“白金”標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效果就不一樣了。

圖7 不同QE和QF驅(qū)動(dòng)方案下600-W DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率

結(jié)論

本文表明有效的方法是：在快速續(xù)流期間疊加同步整流器的“接通”時(shí)間，以便讓體二極管不導(dǎo)電。利用這種方法，雖然體二極管導(dǎo)電并沒(méi)有完全消失，但其被極大減少，從而提高了整體系統(tǒng)效率，讓“白金”效率標(biāo)準(zhǔn)更容易達(dá)到。