PSFB电路的基本原理和结构

一路上

前言

近年来，对于服务器和车载充电器等的电源，要求其能够处理更大功率的需求增加。这类大功率电源中大多采用全桥电路，尤其是相移全桥（Phase Shift Full Bridge，以下称“PSFB”）电路，因其能够在超结MOSFET（以下称“SJ MOSFET”）和IGBT等开关元件导通时实现零电压开关（Zero Voltage Switching，以下称“ZVS”）工作，可以减少开关损耗，故可以处理更大的功率。

伴随电源的大功率发展趋势，提高效率成为很大的课题。通常，即使效率相同，较大功率电源其损耗本身也会较大，因此需要尽可能高的效率。

下面将通过在PSFB电路中使用SJ MOSFET时的电路工作，来说明快速恢复型SJ MOSFET的必要性。此外，还会对具有不同反向恢复特性的SJ MOSFET的效率进行比较，并了解在PSFB电路中反向恢复特性的重要性。

PSFB电路的基本结构

首先来看PSFB电路的基本结构。如果能对这种基本结构有整体印象，将会更容易理解后续的电路工作相关的内容。

为了实现PSFB的特点之一“ZVS”，会使用变压器的漏感作为谐振电感，但是为了扩大ZVS的工作范围，有时也可以与变压器串联添加电感器。在本文中给出的是使用了串联添加电感器LS的电路示例。

接下来请看各开关的ON/OFF时序图。在时序图底部，双头箭头下方的数字是表示电路工作模式的标签。在后续的电路工作说明中使用的模式编号与这里的编号一致。

如时序图所示，当Q1和Q2切换ON/OFF状态之后，Q3和Q4会切换ON/OFF状态（带有一定的相位滞后）。因此，通常将Q1和Q2的桥臂称为“超前桥臂”，而将Q3和Q4的桥臂称为“滞后桥臂”。

PSFB电路工作原理

PSFB电路中的ZVS工作成立条件是：当组成开关的MOSFET的输出电容COSS放电且正向电流流过Body Diode时，使该MOSFET导通。 图中显示了PSFB电路中Q1～Q4的漏极电流波形和流经一次侧变压器的电流波形。

Q1～Q4的漏极电流和变压器一次侧所流电流的波形

如果设PSFB电路中电流的正向是漏极→源极方向，则可以确认Q1～Q4分别存在流过负向漏极电流的时间段，即正向电流流过MOSFET的Body Diode期间。例如，在Q3中，是Mode(7)部分。由于在此期间漏极电压几乎为0，因此通过在此期间导通来使PSFB电路中的ZVS工作成立。 您还可以看到，超前臂和滞后臂不会产生完全异相的相同形状的电流波形。波形如此不同的原因可以通过该电流波形下方所示的Mode（1）～Mode（14）的电流路径来理解。每种模式的编号和位置对应于上面的时序图。 Mode（1）～Mode（14）的工作和电流路径如下：

	・Q1和Q4为ON，Q2和Q3为OFF。
	・当Q2和Q3为OFF时，Q2的输出电容COSS_Q2和Q3的输出电容COSS_Q3被充电。
	・Vi被施加于一次侧变压器。
	・电流流过LS，所以能量被积蓄。
	・仅Q1关断（OFF）。
	・由于Q1为OFF，因此输出电容COSS_Q1被充电。这使得Q2漏极侧的电位下降，同时COSS_Q2开始放电。
	・在COSS_Q1的充电和COSS_Q2的放电完成后，能量仍积蓄在LS中的情况下，电流会流过Q2的Body  Diode（DQ2）并开始续流工作。
	・由于续流工作，所以不向二次侧供给能量，但受LO的影响，电流会继续流动。由于LO产生的电流对于D1和D2来说是正向的，因此电流会流过这两个二极管。
	・Q2导通（ON）。在这个时间点DQ2是导通的，因此Q2的漏极-源极间电压VDS_Q2几乎为0V。即ZVS工作，因此不产生导通损耗。
	・Q4关断（OFF）。
	・由于Q4的关断，Q4的输出电容COSS_Q4被充电。同时，由于Q3的源极侧电位上升，输出电容COSS_Q3放电。
	・在COSS_Q4的充电和COSS_Q3的放电完成后，能量仍积蓄在LS中的情况下，电流流过Q3的Body  Diode（DQ3）并开始续流工作。
	・Q3导通（ON）。在这个时间点DQ3是导通的，因此Q3的漏极-源极间电压VDS_Q3几乎为0V，即ZVS工作，故不产生导通损耗。
	・通过Q3的导通，LS迅速释放能量，电压与Mode（1）～Mode（6）中的IL方向相反，因此电流的方向迅速反转。
	・Q2和Q3为ON、Q1和Q4为OFF。
	・因此，COSS_Q1和COSS_Q4被充电。
	・Vi以与Mode（1）相反的方向被施加于一次侧变压器。
	・电流流过LS，所以能量被积蓄。
	・关断Q2。
	・通过关断Q2，COSS_Q2被充电，同时COSS_Q1放电。
	・在COSS_Q2的充电和COSS_Q1的放电完成后，能量仍积蓄在LS中的情况下，电流会流过Q1的Body  Diode（DQ1）并开始续流工作。
	・由于续流工作，所以不向二次侧供给能量，但受LO的影响，电流会继续流动。由于LO产生的电流对于D1和D2来说是正向的，因此电流会流过这两个二极管。
	・Q1导通（ON）。在这个时间点DQ1是导通的，因此Q1的漏极-源极间电压VDS_Q1几乎为0V，即ZVS工作，故不会产生导通损耗。
	・关断Q3。
	・通过关断Q3，COSS_Q3被充电，同时COSS_Q4放电。
	・在COSS_Q3的充电和COSS_Q4的放电完成后，能量仍积蓄在LS中的情况下，电流流过Q4的Body  Diode（DQ4）并开始续流工作。
	・Q4导通（ON）。在这个时间点DQ4是导通的，因此Q4的漏极-源极间电压VDS_Q4几乎为0V，即ZVS工作，  故不会产生导通损耗。
	・LS迅速释放能量，并施加电压使电流按照与Mode（8）～Mode（13）中的IL相反的方向流动，因此电流的方向迅速反转。

由于电流路径的这种变化，尤其如Mode（7）和（14）的说明中所述，输入电源和LS通过滞后臂上的MOSFET的导通而被串联连接，LS中的能量迅速减少。这种情况不会发生在超前臂中，因此导致超前臂和滞后臂的电流波形产生差异。

由于这种电流波形的差异，造成超前臂上的MOSFET和滞后臂上的MOSFET的损耗不同，所产生的热量也不同，因此在进行热设计时需要注意。 如Mode（5）和（6）、（12）和（13）的说明中所述，在滞后臂中，积蓄在LS中的能量必须大于积蓄在MOSFET的COSS中的能量，否则MOSFET的充放电就不会完成，ZVS工作也就不成立。以Mode（5）为例，其条件可以用下列公式（1）来表示。IL1表示Mode（4）结束时的IL，EOSS_Q3和EOSS_Q4分别表示完成Q3和Q4的输出电容的充放电所需的能量。 从公式（1）可以看出，由于IL1在轻负载时较小，因此ZVS工作很难成立，而随着负载变重，ZVS工作变得容易成立。

结语

介绍了14种PSFB电路模式所表示的工作状态和电流路径。

在进行热设计时需要注意，PSFB电路中的工作差异会造成电流波形之间存在差异，超前臂和滞后臂上的MOSFET的损耗会有所不同，所产生的热量也会不同。

从PSFB电路的ZVS工作成立条件的公式中可以看出，由于IL1在轻负载时较小，故ZVS工作很难成立，而随着负载变重，PSFB电路中 的ZVS工作会变得容易成立。