80+TM 和計算機產(chǎn)業(yè)拯救氣候行動計劃 (Climate Savers Computing) ™ 給計算機電源設(shè)立了一個強有力的效率標準。這些標準的“白金”級別規(guī)定計算機電源在 20% 額定負載狀態(tài)下必須有 90% 的效率，50% 額定負載時效率必須達到94%，而在 100% 負載時效率必須達到 91%。為了滿足這些標準，一些電源設(shè)計人員選擇使用一個具有同步整流的相移、全橋接 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。這種拓撲結(jié)構(gòu)是一種比較好的選擇，因為它可以在主 FET 上實現(xiàn)零電壓開關(guān) (ZVS)。一種普遍使用的驅(qū)動同步整流器的方法是利用已經(jīng)存在的信號驅(qū)動主 FET。這樣做存在的唯一問題是要求主 FET 時滯，以實現(xiàn)零電壓開關(guān)。這會導(dǎo)致兩個同步整流器在快速續(xù)流期間同時關(guān)閉，從而允許過多的體二極管導(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序，驅(qū)動這些同步整流器，從而減少體二極管導(dǎo)電并最終提高整體系統(tǒng)效率。
市場上有一些脈寬調(diào)制器 (PWM)，其設(shè)計目標是用于控制相移、全橋接轉(zhuǎn)換器，而非驅(qū)動同步整流器 （QE 和 QF）。工程師們發(fā)現(xiàn)他們可以通過 PWM 控制器的控制信號OUTA和OUTB來控制同步 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)換器中的一個功能示意圖。
圖 1 同步整流改進型相移、全橋接轉(zhuǎn)換器
問題
通過延遲H橋接（QA、QB、QC、QD）的 FET 導(dǎo)通，PWM 控制器有助于在這些轉(zhuǎn)換器中實現(xiàn) ZVS。FET QA 和 QB 導(dǎo)通和斷開轉(zhuǎn)換過渡之間的延遲 (tDelay) 會使同步 FET QE 和 Q F同時斷開，從而允許其主體二極管實施上述導(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) 過多會使設(shè)計達不到“白金”標準。更多詳情，請參見圖 1 和圖 2。如圖所示，OUTA 驅(qū)動 FET QA 和 QF，而 OUTB 驅(qū)動 FET QB 和 QE。V1 為 LOUT 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)換器的時序圖
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解決方案
若想減少 QE 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，必須通過其自有輸出來驅(qū)動 FET QE 和 QF，其中“導(dǎo)通”時間而非同步的“斷開”時間會重疊。圖 3 顯示了具有 6 個單獨驅(qū)動信號（OUTA 到 OUTF）的相移、全橋接轉(zhuǎn)換器的功能示意圖。通過根據(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。表 1 和圖 4 顯示了完成這項工作所需的時序。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，其會在 tDelay 期間兩個柵極驅(qū)動均為斷開時，與圖 2 所示柵極驅(qū)動信號一起出現(xiàn)。
表 1 OUTE 和 OUTF 導(dǎo)通/斷開過渡轉(zhuǎn)換
圖 3 使用表 1 時序的相移、全橋接轉(zhuǎn)換器
圖 4 減少 QE 和 QF 體二極管導(dǎo)電的時序圖
試驗結(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，我們對一個 390-V 到 12-V 相移、全橋接轉(zhuǎn)換器進行了改進，旨在通過圖 2 和 4 所示信號驅(qū)動 FET。
圖 5 QE 和 QF 主體二極管導(dǎo)電波形圖
圖 5 顯示了同步FET（QE 和 QF）柵極的波形圖，它們通過 OUTA 和 OUTB PWM 輸出驅(qū)動。圖中，在 OUTA 和 OUTB 之間的延遲時間 (tDelay) 期間可以觀測到主體二極管導(dǎo)電。
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下一頁的圖 6 顯示了同步FET（QE 和 QF）柵極的波形圖，它們通過圖 3 所示 OUTE 和 OUTF 信號驅(qū)動。這些信號都產(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
我們對兩種驅(qū)動方案（OUTA 和 OUTB 與 OUTE 和 OUTF）從 20% 到滿負載條件下 600-W DC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率進行了測量。在下一頁的圖 7 中，顯示了這兩種驅(qū)動方案的轉(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% 負載時使用 OUTE 和 OUTF 的效率高出約 0.4%。0.4% 效率增加看起來似乎并不多，但在設(shè)計人員努力想要達到“白金”標準時效果就不一樣了。
圖 7 不同 QE 和 QF 驅(qū)動方案下 600-W DC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率
結(jié)論
即使我們可以通過一個并非為同步整流（OUTA 和 OUTB 驅(qū)動方案）而設(shè)計的相移、全橋接控制器來對一個具有同步整流器的相移、全橋接轉(zhuǎn)換器進行控制，實現(xiàn) ZVS 所要求的 OUTA 和 OUTB 之間接通延遲也會使兩個同步 FET 在同一時間 (tDelay) 關(guān)閉。這種延遲會導(dǎo)致在 FET 快速續(xù)流期間出現(xiàn)過多的體二極管導(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”效率標準更容易達到。
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