全桥硬开关同步整流PWM驱动设计

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在砖块电源中,由于输入电压相对较低,所以比较适合用硬开关电路实施,同时由于全桥电路工作效率高,在一些较大功率的产品中应用比较广泛,本文我们重点讨论一下其PWM驱动波形的设计。

.基本的全桥硬开关电路的原理及驱动分析

图1 全桥硬开关电路的功率级电路

我们所讨论的全桥硬开关电路如图1所示,原边采用四个MOSFET形成一个全桥,分别由两个半桥组成,半桥的两个开关节点分别接到变压器的两端,变压器副边采用中心抽头的结构,中心抽头接输出电感,另外两端分别接同步整流MOSFET接到GND.此电路通过调整原边全桥MOSFET的占空比来达到控制和调整输出电压的目的。注意,变压器的存在是由于考虑系统安全和相关的法规需要,这种拓扑称之为隔离变换器拓扑。

图2 基本的全桥硬开关同步整流电路驱动波形

基本的PWM驱动波形如图2,所示,Q1Q4作为一组对角MOSFET同时导通,Q2Q3作为另一组对角MOSFET同时导通。VPRI为变压器的原边电压,IPRI为变压器原边的电流,Q5,Q6分别为副边同步整流的两个MOSFET.接下来,我们详细分析一下各个状态的工作特性。

在图2中,T0-T1阶段,这是原边Q1Q4导通的阶段,输入电压VIN加到了变压器原边,且上正下负,此阶段输入能量向副边传递,输入电流IPRI流过Q1Q4及变压器原边,且线性上升,根据变压器极性,副边同步整流MOSFET Q5导通。在此阶段中原边电流斜率取决于输入电压,变压器磁化电感及匝比,输出电感等。

T1-T2阶段,这是原边Q1Q4关断的阶段,此时Q2Q3还没有导通,因此这时原边全桥四个开关都没有开通,变压器原边的电压为0,这个死区的存在避免了全桥电路中上下管同时导通。一般情况下,在这段死区中,副边同步整流MOSFET都不开通,副边输出电感电流会由于续流的需求让两个MOSFET的体二极管都流过一半的电感电流而续流。

在闭环控制中,T1-T2的死区时间长度,随着输入电压VIN的增加而增加,效率会有所降低。

T2-T3阶段,这是原边另一组对角的MOSFET导通,即Q2Q3导通阶段,加在变压器原边的电压变为下正上负了,此阶段变压器原边的电流IPRI先减小变为负的,然后再线性上升。所以,在此阶段中,变压器需要向副边传递能量,根据变压器极性,副边同步整流中需要Q6导通。

由于在对角MOSFET的开通关断过程中,同时存在电压和电流,所以会造成开关损耗,我们称之为硬开关电路。

T3-T4阶段,这是一个Q2Q3关断,但是Q1Q4还没有导通的死区阶段,我们便不再详述,这和T1T2阶段类似,同样是变压器原边电压为0,副边同步整流管电流流过体二极管的续流阶段。

在上述分析中,同步整流的MOSFET的导通和关断完全和原边的对角MOSFET同步且一致,这种配置相对较简单,但是由于副边续流电感电流流过同步整流MOSFET的体二极管,因此损耗较大。

.硬开关全桥同步整流电路PWM驱动优化

在采用数字化的控制芯片后,PWM配置相对比较灵活,可以通过软件对PWM驱动波形的合理配置,提高系统的整体效率。

我们仔细分析,两组对角MOSFET之间的死区,是由于不希望上下桥臂的MOSFET同时导通,以导致输入电压短路,但是由于在死区时间内,副边电感续流电流通过副边MOSFET的体二极管,效率受到较大损失,所以需要合理控制同步整流MOSFET的驱动波形,让它尽可能的导通。与此同时,也要注意原边向副边传递能量时,变压器副边不要短路,因此在原边导通PWM信号和副边续流PWM驱动脉冲信号保持一定的死区即可。

图3 优化的全桥硬开关PWM驱动波形

优化后的驱动波形,如图3所示,副边同步整流MOSFET的驱动脉冲可以重叠,在重叠阶段,副边两个MOSFET都在导通,可以避免电感续流电流流过体二极管,导致较大的损耗。同时,在以上的驱动波形配置中,对副边同步整流MOSFET的驱动脉冲和原边导通MOSFET之间留有一定的小的死区,确保变压器不会短路,即原边向副边传递能量时,不会出现副边两个MOSFET都导通的情况。

在以上配置中,当处在副边MOSFET共同导通给电感续流的阶段时,电感电流的一半流过副边MOSFET,相比流过体二极管压降变小很多,可以很好的改善效率。

 

基于上述分析,原边Q1/Q4和副边的Q6设置为互补模式PWM输出,Q2/Q3和副边的Q5设为互补模式,设置相应的死区即可。原边的Q1/Q4Q2/Q3两个PWM信号设置为错相180C即可,闭环控制调整原边两组PWM的占空比Q1/Q4,Q2/Q3即可完成输出电压调整,此处Q1/Q4同时导通,Q2/Q3同时导通,且Q1/Q4和Q2/Q3的占空比相同。

即在Q1/Q4的开关周期一半时,触发Q2/Q3的PWM产生。后续我们将讨论PWM I/O输出模式的具体配置方式。

总结,讨论硬开关全桥的PWM基本配置,和基于改善效率角度的PWM优化配置方式,对副边同步整流PWM驱动波形做了优化,且对硬开关全桥同步整流的基本工作原理做了一定介绍。

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