SMPS: Phasenverschobene Vollbrücken-Wandler

Phasenverschobene Vollbrückenwandler (PSFB) werden zur Herabsetzung hoher Gleichspannungen und zur Isolierung in Anwendungen mit mittlerer bis hoher Leistung (> 1000 W) eingesetzt.

PSFB-Wandler ähneln herkömmlichen Vollbrücken-DC-DC-Wandlern, verfügen jedoch über eine Phasenverschiebungssteuerung. Der phasenverschobene Vollbrückenwandler kann durch Phasenverschiebung der Gate-Signale zwischen den Schaltern des führenden Schenkels und des nacheilenden Schenkels ohne zusätzliche Schaltungen eine sanfte Schaltung erreichen. Dadurch können die Schaltverluste verringert und der Wirkungsgrad erhöht werden.

Ein PSFB-Wandler besteht aus vier leistungselektronischen Schaltern (z. B. MOSFETs oder IGBTs), die eine Vollbrücke auf der Primärseite des Trenntransformators bilden, und Diodengleichrichtern oder MOSFET-Schaltern für die synchrone Gleichrichtung (SR) auf der Sekundärseite. Die parasitären Kapazitäten (C₁, C₂, C₃, C₄) sind über die Schalter geschaltet, und die mit der Primärwicklung des Transformators in Reihe geschaltete Spule verstärkt die Streuinduktivität des Hochfrequenztransformators.

Das Bein mit Paarschaltern S₁ und S₂ werden mit einem 50%-Tastverhältnis mit kurzer Totzeit komplementär eingeschaltet. Das Gleiche gilt für das zweite Bein mit zwei Schaltern S₃ und S₄. Das Steuersignal zum Umschalten S₃ und S₄ wird in Bezug auf das Torsignal phasenverschoben, um die S₁ und S₂ um den Übergang in die Nullspannungsschaltung (ZVS) zu ermöglichen und um sicherzustellen, dass die Primärseite des Transformators entweder mit dem Eingang verbunden oder kurzgeschlossen ist.

Wenn die diagonalen Schalter ON, Die Leistung wird über die Sekundärseite des Transformators an die Last übertragen.

Wenn entweder der obere oder der untere Schalter der beiden Beine ON Gleichzeitig wird keine Leistung auf die Sekundärseite übertragen, da an der Primärseite keine Spannung anliegt.

Wenn die entsprechenden diagonalen Schalter gedreht werden AUS, Der Primärstrom fließt durch den Ausgangskondensator der jeweiligen MOSFETs, wodurch sich die Drain-Spannung des Schalters in Richtung der gegenüberliegenden Eingangsspannungsschiene bewegt. Dies führt zu einer Nullspannung über dem MOSFET und damit zu ZVS, wenn er sich ON. Dies ist möglich, wenn durch die induktive Speicherenergie ein ausreichender Umlaufstrom zum Laden und Entladen des Ausgangskondensators der jeweiligen MOSFETs bereitgestellt wird.

Der parasitäre Ausgangskondensator der MOSFETs und die Streuinduktivität des Schalttransformators werden als Resonanztankkreis verwendet, um beim Einschaltvorgang eine Spannung von Null über dem MOSFET zu erreichen.

Während der Übergangsintervalle wird die in der Resonanzinduktivität gespeicherte Energie zum Laden und Entladen der parasitären Kapazitäten des MOSFETs verwendet, um ZVS beim Einschalten zu erreichen.

Die Streuinduktivität des Transformators muss nicht unbedingt minimiert werden, da eine größere Resonanzinduktivität die ZVS über einen größeren Lastbereich ermöglicht. Es kann sogar eine zusätzliche Streuinduktivität zum Transformator hinzugefügt werden, um die Größe der Resonanzinduktivität zu erhöhen.

V_aus/V_in Beziehung

V_IN > V_OUT

Bereich der Einschaltdauer < 1

Vorteile

• Hoher Wirkungsgrad: 90% bis 95% bei hohen Frequenzen
• Spannungsbelastung des Schalters begrenzt auf V_in
• ZVS und geringe EMI
• Erfordert keine zusätzlichen Dämpfungsschaltungen zur Reduzierung der Verluste.
• Doppelte Leistung im Vergleich zu einem Halbbrückendesign, ausgezeichnete Wahl für EU-Netzspannung (PFC-Vorregler) mit Ausgangsleistung > 1 kW

Benachteiligungen

• Doppelter primärer Gate-Antrieb auf der hohen Seite
• Komplexität der Schaltung
• Hoher zirkulierender Primärstrom für ZVS
• Verlust der ZVS bei geringem Laststrom

Anwendungen

• Industrielle Batterieladegeräte
• CAR-Bordladegeräte
• Erneuerbare Energiesysteme
• Gleichrichter für die Telekommunikation
• Server-Netzteile

In unserem letzter Artikel über SMPS, In diesem Abschnitt werden wir einige Überlegungen anstellen, die bei der Entwicklung von SMPS-Transformatoren zu beachten sind.