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)零電壓開關(guān)(ZVS),。一種普遍使用的驅(qū)動(dòng)同步整流器的方法是利用已經(jīng)存在的信號(hào)驅(qū)動(dòng)主FET。這樣做存在的唯一問(wèn)題是要求主FET時(shí)滯,，以實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān),。這會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)同步整流器在快速續(xù)流期間同時(shí)關(guān)閉，從而允許過(guò)多的體二極管導(dǎo)電,，最終降低系統(tǒng)效率,。本文的目的是建議使用不同的時(shí)序，驅(qū)動(dòng)這些同步整流器,，從而減少體二極管導(dǎo)電并最終提高整體系統(tǒng)效率,。

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，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”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)主體二極管沒有導(dǎo)電,。盡管仍然可以看到一些主體二極管導(dǎo)電，但沒有圖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

即使我們可以通過(guò)一個(gè)并非為同步整流(OUTA和OUTB驅(qū)動(dòng)方案)而設(shè)計(jì)的相移,、全橋接控制器來(lái)對(duì)一個(gè)具有同步整流器的相移,、全橋接轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)ZVS所要求的OUTA和OUTB之間接通延遲也會(huì)使兩個(gè)同步FET在同一時(shí)間(tDelay) 關(guān)閉,。這種延遲會(huì)導(dǎo)致在FET快速續(xù)流期間出現(xiàn)過(guò)多的體二極管導(dǎo)電,。本文表明更加有效的方法是：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,。