NEST167 July 2025 TPS7H6003-SP
全橋式轉(zhuǎn)換器
全橋式轉(zhuǎn)換器為隔離電源轉(zhuǎn)換提供了高效的解決方案（圖 1）。在此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，控制方法的選擇將影響轉(zhuǎn)換器的整體效能。大多數(shù)工程師只考慮硬性切換全橋（HSFB）或相移全橋（PSFB）。在此用電訣竅中，我將示範(fàn)對(duì)脈衝寬度調(diào)變（PWM）控制全橋進(jìn)行一項(xiàng)簡(jiǎn)單修改，此修改可透過(guò)實(shí)現(xiàn)零電壓切換（ZVS）來(lái)提升效率，並消除變壓器繞組上的共振振鈴。
圖 1 同步 HSFB 轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)範(fàn)例。來(lái)源：德州儀器HSFB
HSFB 轉(zhuǎn)換器使用兩個(gè)相位相差 180 度的輸出訊號(hào)（OUTA 和 OUTB）來(lái)控制一次側(cè)橋式電路上的對(duì)角 FET，如圖 1所示?？刂破髟试S一次側(cè) FET 有三種狀態(tài)：OUTA 高和 OUTB 低、OUTB 高和 OUTA 低、OUTA 和 OUTB 都低。為維持穩(wěn)壓，控制器會(huì)調(diào)變各狀態(tài)所花費(fèi)時(shí)間的比率。
圖 2從下到上顯示 OUTA 和 OUTB 訊號(hào)、主要橋接器各側(cè)的切換節(jié)點(diǎn)電壓，以及主要繞組電流。當(dāng) OUTA 和 OUTB 皆為低時(shí)，切換節(jié)點(diǎn)會(huì)在失效時(shí)間內(nèi)回到一半輸入電壓。
圖 2 驅(qū)動(dòng)一次側(cè)對(duì)角 FET 的傳統(tǒng)配置（1μs/div）。來(lái)源：德州儀器當(dāng)失效時(shí)間內(nèi)沒(méi)有一次側(cè) FET 導(dǎo)通時(shí)，二次側(cè)電流將持續(xù)透過(guò)同步整流器進(jìn)行續(xù)流。此時(shí)，儲(chǔ)存在一次側(cè)的洩漏能量會(huì)與一次側(cè) FET 的輸出電容產(chǎn)生共振，當(dāng) OUTA 或 OUTB 其中之一轉(zhuǎn)為低電位時(shí)，將產(chǎn)生巨大的洩漏突波。此共振會(huì)影響一次側(cè)的所有四個(gè) FET。圖 3顯示洩漏突波可能到達(dá)的幅度。實(shí)務(wù)上，較大的洩漏突波可能需要使用較高電壓的元件。
圖 3 傳統(tǒng)配置下的一次側(cè)切換節(jié)點(diǎn)（400ns/div）。來(lái)源：德州儀器互補(bǔ)邏輯的替代方法
另一種方法是使用互補(bǔ)邏輯，分別控制橋式電路兩側(cè)的一次側(cè) FET。在此方法中， PWM 高會(huì)開(kāi)啟高側(cè) FET，而 PWM 低則會(huì)開(kāi)啟低側(cè) FET。圖 4說(shuō)明使用此方法的圖表。
圖 4 同步 ZVS 全橋式轉(zhuǎn)換器功率級(jí)範(fàn)例。來(lái)源：德州儀器圖 5顯示此方法的 PWM、切換節(jié)點(diǎn)電壓與一次側(cè)電流。由於一次側(cè)各有互補(bǔ)訊號(hào)，兩個(gè)低側(cè) FET 現(xiàn)在都會(huì)在失效時(shí)間開(kāi)啟。在傳統(tǒng)方法中屬於死區(qū)時(shí)間的期間，此設(shè)計(jì)可讓一次側(cè)電流持續(xù)透過(guò)兩個(gè)低側(cè) FET 進(jìn)行續(xù)流。
圖 5 驅(qū)動(dòng)一次側(cè) FET（1μs/div）的互補(bǔ) PWM。來(lái)源：德州儀器一次側(cè)的續(xù)流電流具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。首先，一次側(cè) FET 可實(shí)現(xiàn) ZVS。圖 6顯示 ZVS 事件期間全橋一側(cè)的主要切換節(jié)點(diǎn)和 PWM 邏輯。在產(chǎn)生表示 ZVS 的閘極驅(qū)動(dòng)訊號(hào)之前，汲極至源極電壓降至零。
圖 6 互補(bǔ) PWM 配置下的一次側(cè)切換節(jié)點(diǎn)（400ns/div）。來(lái)源：德州儀器另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可減少整個(gè)轉(zhuǎn)換器的雜訊。當(dāng)主要切換節(jié)點(diǎn)波形由圖 3轉(zhuǎn)換為圖 6時(shí)，大幅洩漏突波與共振振鈴將被消除。二次整流器在變更一次側(cè)以取得 ZVS 後，雜訊也有所降低。
圖 7比較兩種設(shè)計(jì)選項(xiàng)的二次整流器汲極至源極電壓。HSFB 變化明顯含有更多振鈴，需要使用緩衝器來(lái)減輕壓力，但代價(jià)是整體系統(tǒng)效率下降。在一次側(cè)改成 ZVS 會(huì)減少二次側(cè) FET 上的振鈴。此情況下雖仍存在洩漏突波，但使用二極體箝位電路會(huì)比採(cǎi)用緩衝器更為合適。
圖 7 傳統(tǒng)配置（400ns/div）（左）；使用互補(bǔ) 1.00μs 訊號(hào)（PWM/div）（右）。來(lái)源：德州儀器修改的 HSFB 參考設(shè)計(jì)
僅引入 ZVS，便可在各種負(fù)載條件下提升效率。圖 8比較了修改後的 HSFB 參考設(shè)計(jì)「適用於 100kRad 應(yīng)用的 100W、5V 輸出硬切換全橋式轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)」，該設(shè)計(jì)在一次側(cè)採(cǎi)用 ZVS 邏輯，並與原始的 HSFB 資料進(jìn)行比較。一次側(cè) FET 的邏輯是唯一的變更；若進(jìn)一步最佳化一次側(cè) FET 驅(qū)動(dòng)器並改善二次側(cè)保護(hù)電路，將可進(jìn)一步提升此方法的效益。
圖 8 傳統(tǒng)配置（TI HSFB 參考設(shè)計(jì)修訂版 B）與 PWM 配置（修改板）的總功率損耗與輸出功率比較。來(lái)源：德州儀器互補(bǔ)邏輯的共模限制
在全橋式轉(zhuǎn)換器上使用互補(bǔ)邏輯，可讓主要 FET 達(dá)到 ZVS。此方法對(duì)系統(tǒng)效率有許多優(yōu)點(diǎn)，而且易於實(shí)作。
在測(cè)試案例中，標(biāo)準(zhǔn)同步全橋式轉(zhuǎn)換器只需要調(diào)整邏輯即可產(chǎn)生互補(bǔ)訊號(hào)。您可利用邏輯 NOR 閘進(jìn)行此調(diào)整；或者， HSFB 參考設(shè)計(jì)中使用的德州儀器 TPS7H6003-SP 閘極驅(qū)動(dòng)器等部分驅(qū)動(dòng)器具備 PWM 模式，其中在訊號(hào)偏高時(shí)，單一輸入訊號(hào)會(huì)驅(qū)動(dòng)高壓側(cè) FET ，而在訊號(hào)偏低時(shí)則會(huì)驅(qū)動(dòng)低壓側(cè) FET。如您所見(jiàn)，控制邏輯的這種微妙改變可在系統(tǒng)效能上帶來(lái)巨大效益。