6 PSFB 的工作原理

欢迎观看本系列 视频的第 6 部分。

现在，我们将对第 5 部分中的介绍性描述

进行展开并 详细介绍相移全桥的

工作方式。

我在第 5 部分的 末尾展示过这个动画，

但我认为值得 在此重复展示。

该图在顶部以红色和 蓝色显示了 QA 和 QB 的

栅极驱动器，并在 中间以红色和蓝色显示了

QC 和 QD 的栅极驱动器。

底部以棕色显示了

变压器上的电压。

开关波形全部 处于 50% 占空比，

并减小 1% 或 2%，以便 有时间进行 ZVS 转换。

OUTA 和 OUTB 是 固定的参考对，

并且控制功能会 相对于该参考对

移动 OUTC 和 OUTD 的相位，

以控制变压器 看到的占空比。

当对角开关对 位于 QA 和 QD 或

QB 和 QC 上时， 就会发生从初级侧

到次级侧的能量传输。

变压器占空比

与开关周期成比例，

电压会按该周期 施加到变压器。

现在，在接下来的 八张幻灯片中，我将

介绍相移全桥的典型

开关周期。

我们将从开关 周期的开头开始说起，

其中对角对 QA 和 QD 导通，

并且能量从 输入传输到输出。

这是开关周期中 两个有效状态中的

第一个。

红色和蓝色箭头 表示初级侧和次级侧

电路上的电流情况。

现在，QA 和 QD 在 时间 T-ON 内导通，

该时间由控制器决定。

变压器初级侧上 存在正电压，

而次级侧上的 电压由 SR-QF 整流。

当能量从初级侧 传输到次级侧时，

输出电感上的电流会

增加。

有时，PWM 控制器 会关闭 QD，

而这会终止能量 传输或活动间隔。

这将在右侧 桥臂上启动

正向 ZVS 转换， 并且系统会由

主动从初级侧

向次级侧传输能量

变成在 ZVS 转换 结束时进入无源或续流

状态。

右侧桥臂上的 ZVS 转换

由漏电感、磁化 电感和输出电感上的

能量驱动， 这三个电感一起

为节点 B 处的 电容充电。

当 QD 关闭时， 此节点上的电压会从

0V 变为 V-IN，而 当 QC 的体二极管导通时，

它会钳位至 约 V-IN + 0.7V。

QD 关闭和 QC 导通 之间存在延迟时间，

此处显示为 DELCD。

这使得 ZVS 转换有时间发生。

MOSFET QC 在 DELCD 延迟结束时导通，

并且不存在开关损耗，

因为此时其上的 电压为 0V。

我们将在稍后看到， 可用于驱动右侧

AP 桥臂上节点 B 处转换的能量

大于驱动左侧 PA 桥臂上

节点 A 处转换的能量。

这意味着右侧 桥臂上的转换

要快于左侧 桥臂上节点 A 处的转换。

该图以红色 和蓝色显示了

ZVS 转换间隔结束时的

初级侧和次级侧电流。

在 ZVS 转换结束 时，QE 导通，

并且变压器的 初级侧和次级侧

都处于短路状态。

此时，变压器

初级侧或次级侧 上没有电压，

我们知道 V 为 LD-IDT。

因此，如果 V 等于 0， 则 DIDT 也必须等于 0。

这意味着初级侧的循环电流

会保留并可 在此间隔结束时用于

驱动 ZVS 转换。

这种实现 ZVS 的 能力是相移全桥的

一项重要功能， 这就是其与

PWM 全桥的不同之处。

电路电阻中的 损耗意味着

循环电流确实会在

此间隔期间略有 衰减，但这种衰减

通常不明显。

在此期间， 没有能量从输入

传输到输出，因此 电桥处于无源状态。

这个间隔有时 也称为续流间隔。

在先前的能量 传输间隔中，

输出电流由 QF 承载。

现在，在这个后续 无源间隔期间，

QF 上会保持 平均电流，

并且只有电感器 电流的变化

会在两个绕组之间分流。

这是以下情况 导致的结果：

绕组电感上 没有电压来

强制电流从一个绕组 流出并流入另一个绕组。

这种不对称性意味着， 变压器初级侧上的

RMS 损耗要高于电流 在两者之间平均共享时的

情况。

当 PWM 时钟开始 第二个能量传输周期时，

此间隔结束。

PWM 时钟会关闭 QA， 以启动左侧桥臂上的

负向 ZVS 转换。

与之前的 ZVS 转换一样，

QA 关闭和 QB 导通之间存在延迟时间，

即 DELAB。

该延迟使得 通过漏电感

储存的能量 有时间能够

节点 A 处的 电容进行负向充电，

直到它被 QB 的 体二极管篡改为

约 0.7V。

然后，MOSFET QB 会在 DELAB 间隔结束时导通，

其上的电压为 0V 且无开关损耗。

请记住，右侧 桥臂上的 ZVS 转换

由漏电感、磁化 电感和输出电感上的

能量驱动。

但是，漏电感中的 能量只有在左侧

桥臂上的 ZVS 转换期间才可用，

因为变压器 次级侧会短路。

这意味着左侧 桥臂上的转换用时要长于

右侧桥臂上的转换， 而 UCC28951-Q1

允许设计人员出于此原因 而设置不同的 DELAB 和 DELCD

时间。

另外，可用的 能量较少这一事实

也意味着在 轻负载条件下，

在左侧桥臂上 维持 ZVS 要比在

右侧桥臂上更难。

在此间隔期间， QF 会关闭，

并且这会释放 变压器次级侧上的

短路状态，以便为 第二个能量传输间隔

做好准备。

这是开关周期 期间的第二个

能源传输间隔。

在此幻灯片中，QB 和 QC 会在时间 T-ON 内保持导通，

该时间由控制环路决定。

变压器极性 现在与第一个

能量传输间隔 中的极性相反，

并且变压器 初级侧上现在存在

负电压。

变压器第二个 间隔上的电压

由 SRQE 进行整流， 并且输出电感中的电流

会在从初级侧向 次级侧传输能量时

增加。

此外还可以看到， 输出电感上的开关

频率是变压器 上开关频率的两倍。

这可能会导致 混淆，除非您

在介绍相移全桥的

开关频率时 非常清楚地表明

您的意思。

第二个能量传输间隔

会在 PWM 控制器 关闭 QC 时终止。

这将会在右侧 桥臂上启动

负向 ZVS 转换， 并且系统会由

主动从初级侧 向次级侧传输能量

变成无源状态， 这时不进行能量

传输。

如前所述， DELCD 延迟使得

有时间完成 ZVS 转换。

这种转换由漏电感、

磁化电感和输出 电感上的能量驱动，

这些电容一起 为节点 B 处的电容充电。

因此，该节点 会从 VN 负向摆动，

并且在 QD 的体二极管 导通时，其电压会变为约

-0.7V。

然后，在 DELCD 延迟结束时，

MOSFET QD 会 导通，而且这会

在 MOSFET 上的电压为 0V 且无开关损耗的情况下完成。

在 ZVS 转换结束时，

QF 会导通，因此 变压器的初级侧和次级侧

都会处于短路状态。

如前所述，当 QA 和 QC 都导通时，

初级侧的循环电流

会保留并可在 此间隔结束时用于

驱动 ZVS 转换。

与前面的续流间隔中一样，

电流由 LOUT 通过变压器次级侧

提供，尽管就跟 之前一样，变压器

初级侧中的 电流并不对称。

当 PWM 时钟开始 第二个能量传输周期时，

此间隔结束。

PWM 时钟通过 关闭 QB 来开始第二个

能量传输间隔，而这 会在左侧桥臂上启动

正向 ZVS 转换。

如前所述， 延迟时间 DELAB

使得漏电感 上储存的能量

有时间为节点 A 处的电容充电。

并且当 QB 关闭时， 该节点上的电压会

从 0V 变正。

该转换会在 QA 的体二极管导通时，

钳位为 VN + 0.7V。

然后，QA 会在 DELAB 间隔结束时导通，

但它会在其上电压为 0V 且无开关损耗的情况下

完成。

QE 会在此 间隔期间关闭，

并且这会释放 变压器次级侧上的

短路状态。

这就是完整的 开关周期，

并且该过程 会无限期重复。

现在，如果需要， 您可以随时暂停

此幻灯片，进行相关研究。

但要记住的 主要特性是

所有的 SR 转换

都在电压为 0V 时开关， 并且其用时随着负载

电流增加而延长。

这种行为不同于初级侧

开关节点的行为，

后者的转换用时 会随着电流增加而减少。

关于有源/无源 SR 转换的 一项主要注意事项是

其中一个 SR 已导通。

变压器次级侧 电压会降至 0V，

然后次级侧 SR 会导通。

这在电压为 0V 时发生， 然后变压器次级侧会

由两个 SR 短接。

在无源/有源和 有源/无源桥臂上实现 ZV

所需的时间 取决于变压器电流。

一些控制器 支持通过调整电流

更改该延迟时间。

此功能称为 自适应延迟，

UCC28951-Q1 和 UCC2895-Q1 控制器上都提供该功能。

请注意，初级侧 开关上的延迟

会随着变压器 电流增加而减小，

并且次级侧 开关上的延迟

会随着变压器 电流增加而增加。

SR 禁用功能 能够在轻负载条件下，

禁用 SR 并恢复 为二极管整流。

这可防止谐振 回路中出现反向电流，

并可提高轻负载效率，

因为它消除了 开关 MOSFET 而产生的损耗。

至于双向操作，

相移全桥并不适合

双向选项， 但我们确实有一些示例，

这里列出了 其中一些示例。

本培训系列的 下一个视频是

第 7 部分， 其中介绍了

车载充电器 上的大功率

可能使用之前 讨论的想法进行设计。

欢迎观看本系列 视频的第 6 部分。

现在，我们将对第 5 部分中的介绍性描述

进行展开并 详细介绍相移全桥的

工作方式。

我在第 5 部分的 末尾展示过这个动画，

但我认为值得 在此重复展示。

该图在顶部以红色和 蓝色显示了 QA 和 QB 的

栅极驱动器，并在 中间以红色和蓝色显示了

QC 和 QD 的栅极驱动器。

底部以棕色显示了

变压器上的电压。

开关波形全部 处于 50% 占空比，

并减小 1% 或 2%，以便 有时间进行 ZVS 转换。

OUTA 和 OUTB 是 固定的参考对，

并且控制功能会 相对于该参考对

移动 OUTC 和 OUTD 的相位，

以控制变压器 看到的占空比。

当对角开关对 位于 QA 和 QD 或

QB 和 QC 上时， 就会发生从初级侧

到次级侧的能量传输。

变压器占空比

与开关周期成比例，

电压会按该周期 施加到变压器。

现在，在接下来的 八张幻灯片中，我将

介绍相移全桥的典型

开关周期。

我们将从开关 周期的开头开始说起，

其中对角对 QA 和 QD 导通，

并且能量从 输入传输到输出。

这是开关周期中 两个有效状态中的

第一个。

红色和蓝色箭头 表示初级侧和次级侧

电路上的电流情况。

现在，QA 和 QD 在 时间 T-ON 内导通，

该时间由控制器决定。

变压器初级侧上 存在正电压，

而次级侧上的 电压由 SR-QF 整流。

当能量从初级侧 传输到次级侧时，

输出电感上的电流会

增加。

有时，PWM 控制器 会关闭 QD，

而这会终止能量 传输或活动间隔。

这将在右侧 桥臂上启动

正向 ZVS 转换， 并且系统会由

主动从初级侧

向次级侧传输能量

变成在 ZVS 转换 结束时进入无源或续流

状态。

右侧桥臂上的 ZVS 转换

由漏电感、磁化 电感和输出电感上的

能量驱动， 这三个电感一起

为节点 B 处的 电容充电。

当 QD 关闭时， 此节点上的电压会从

0V 变为 V-IN，而 当 QC 的体二极管导通时，

它会钳位至 约 V-IN + 0.7V。

QD 关闭和 QC 导通 之间存在延迟时间，

此处显示为 DELCD。

这使得 ZVS 转换有时间发生。

MOSFET QC 在 DELCD 延迟结束时导通，

并且不存在开关损耗，

因为此时其上的 电压为 0V。

我们将在稍后看到， 可用于驱动右侧

AP 桥臂上节点 B 处转换的能量

大于驱动左侧 PA 桥臂上

节点 A 处转换的能量。

这意味着右侧 桥臂上的转换

要快于左侧 桥臂上节点 A 处的转换。

该图以红色 和蓝色显示了

ZVS 转换间隔结束时的

初级侧和次级侧电流。

在 ZVS 转换结束 时，QE 导通，

并且变压器的 初级侧和次级侧

都处于短路状态。

此时，变压器

初级侧或次级侧 上没有电压，

我们知道 V 为 LD-IDT。

因此，如果 V 等于 0， 则 DIDT 也必须等于 0。

这意味着初级侧的循环电流

会保留并可 在此间隔结束时用于

驱动 ZVS 转换。

这种实现 ZVS 的 能力是相移全桥的

一项重要功能， 这就是其与

PWM 全桥的不同之处。

电路电阻中的 损耗意味着

循环电流确实会在

此间隔期间略有 衰减，但这种衰减

通常不明显。

在此期间， 没有能量从输入

传输到输出，因此 电桥处于无源状态。

这个间隔有时 也称为续流间隔。

在先前的能量 传输间隔中，

输出电流由 QF 承载。

现在，在这个后续 无源间隔期间，

QF 上会保持 平均电流，

并且只有电感器 电流的变化

会在两个绕组之间分流。

这是以下情况 导致的结果：

绕组电感上 没有电压来

强制电流从一个绕组 流出并流入另一个绕组。

这种不对称性意味着， 变压器初级侧上的

RMS 损耗要高于电流 在两者之间平均共享时的

情况。

当 PWM 时钟开始 第二个能量传输周期时，

此间隔结束。

PWM 时钟会关闭 QA， 以启动左侧桥臂上的

负向 ZVS 转换。

与之前的 ZVS 转换一样，

QA 关闭和 QB 导通之间存在延迟时间，

即 DELAB。

该延迟使得 通过漏电感

储存的能量 有时间能够

节点 A 处的 电容进行负向充电，

直到它被 QB 的 体二极管篡改为

约 0.7V。

然后，MOSFET QB 会在 DELAB 间隔结束时导通，

其上的电压为 0V 且无开关损耗。

请记住，右侧 桥臂上的 ZVS 转换

由漏电感、磁化 电感和输出电感上的

能量驱动。

但是，漏电感中的 能量只有在左侧

桥臂上的 ZVS 转换期间才可用，

因为变压器 次级侧会短路。

这意味着左侧 桥臂上的转换用时要长于

右侧桥臂上的转换， 而 UCC28951-Q1

允许设计人员出于此原因 而设置不同的 DELAB 和 DELCD

时间。

另外，可用的 能量较少这一事实

也意味着在 轻负载条件下，

在左侧桥臂上 维持 ZVS 要比在

右侧桥臂上更难。

在此间隔期间， QF 会关闭，

并且这会释放 变压器次级侧上的

短路状态，以便为 第二个能量传输间隔

做好准备。

这是开关周期 期间的第二个

能源传输间隔。

在此幻灯片中，QB 和 QC 会在时间 T-ON 内保持导通，

该时间由控制环路决定。

变压器极性 现在与第一个

能量传输间隔 中的极性相反，

并且变压器 初级侧上现在存在

负电压。

变压器第二个 间隔上的电压

由 SRQE 进行整流， 并且输出电感中的电流

会在从初级侧向 次级侧传输能量时

增加。

此外还可以看到， 输出电感上的开关

频率是变压器 上开关频率的两倍。

这可能会导致 混淆，除非您

在介绍相移全桥的

开关频率时 非常清楚地表明

您的意思。

第二个能量传输间隔

会在 PWM 控制器 关闭 QC 时终止。

这将会在右侧 桥臂上启动

负向 ZVS 转换， 并且系统会由

主动从初级侧 向次级侧传输能量

变成无源状态， 这时不进行能量

传输。

如前所述， DELCD 延迟使得

有时间完成 ZVS 转换。

这种转换由漏电感、

磁化电感和输出 电感上的能量驱动，

这些电容一起 为节点 B 处的电容充电。

因此，该节点 会从 VN 负向摆动，

并且在 QD 的体二极管 导通时，其电压会变为约

-0.7V。

然后，在 DELCD 延迟结束时，

MOSFET QD 会 导通，而且这会

在 MOSFET 上的电压为 0V 且无开关损耗的情况下完成。

在 ZVS 转换结束时，

QF 会导通，因此 变压器的初级侧和次级侧

都会处于短路状态。

如前所述，当 QA 和 QC 都导通时，

初级侧的循环电流

会保留并可在 此间隔结束时用于

驱动 ZVS 转换。

与前面的续流间隔中一样，

电流由 LOUT 通过变压器次级侧

提供，尽管就跟 之前一样，变压器

初级侧中的 电流并不对称。

当 PWM 时钟开始 第二个能量传输周期时，

此间隔结束。

PWM 时钟通过 关闭 QB 来开始第二个

能量传输间隔，而这 会在左侧桥臂上启动

正向 ZVS 转换。

如前所述， 延迟时间 DELAB

使得漏电感 上储存的能量

有时间为节点 A 处的电容充电。

并且当 QB 关闭时， 该节点上的电压会

从 0V 变正。

该转换会在 QA 的体二极管导通时，

钳位为 VN + 0.7V。

然后，QA 会在 DELAB 间隔结束时导通，

但它会在其上电压为 0V 且无开关损耗的情况下

完成。

QE 会在此 间隔期间关闭，

并且这会释放 变压器次级侧上的

短路状态。

这就是完整的 开关周期，

并且该过程 会无限期重复。

现在，如果需要， 您可以随时暂停

此幻灯片，进行相关研究。

但要记住的 主要特性是

所有的 SR 转换

都在电压为 0V 时开关， 并且其用时随着负载

电流增加而延长。

这种行为不同于初级侧

开关节点的行为，

后者的转换用时 会随着电流增加而减少。

关于有源/无源 SR 转换的 一项主要注意事项是

其中一个 SR 已导通。

变压器次级侧 电压会降至 0V，

然后次级侧 SR 会导通。

这在电压为 0V 时发生， 然后变压器次级侧会

由两个 SR 短接。

在无源/有源和 有源/无源桥臂上实现 ZV

所需的时间 取决于变压器电流。

一些控制器 支持通过调整电流

更改该延迟时间。

此功能称为 自适应延迟，

UCC28951-Q1 和 UCC2895-Q1 控制器上都提供该功能。

请注意，初级侧 开关上的延迟

会随着变压器 电流增加而减小，

并且次级侧 开关上的延迟

会随着变压器 电流增加而增加。

SR 禁用功能 能够在轻负载条件下，

禁用 SR 并恢复 为二极管整流。

这可防止谐振 回路中出现反向电流，

并可提高轻负载效率，

因为它消除了 开关 MOSFET 而产生的损耗。

至于双向操作，

相移全桥并不适合

双向选项， 但我们确实有一些示例，

这里列出了 其中一些示例。

本培训系列的 下一个视频是

第 7 部分， 其中介绍了

车载充电器 上的大功率

可能使用之前 讨论的想法进行设计。