SMPS: Convertitori a ponte intero sfasato

I convertitori a ponte intero sfasato (PSFB) sono utilizzati per ridurre le tensioni CC elevate e per fornire isolamento in applicazioni di media e alta potenza (> 1000 W).

I convertitori PSFB sono simili ai convenzionali convertitori DC-DC a ponte intero, ma con un controllo a spostamento di fase. Il convertitore full-bridge a spostamento di fase può ottenere una commutazione morbida spostando i segnali di gate tra gli interruttori del leading leg e del lagging leg senza circuiti aggiuntivi. Pertanto, è possibile ridurre la perdita di commutazione e aumentare l'efficienza.

Un convertitore PSFB è costituito da quattro interruttori elettronici di potenza (come MOSFET o IGBT) che formano un ponte intero sul lato primario del trasformatore di isolamento e da raddrizzatori a diodi o interruttori MOSFET per il raddrizzamento sincrono (SR) sul lato secondario. Le capacità parassite (C₁, C₂, C₃, C₄) sono collegati tra gli interruttori e l'induttore collegato in serie all'avvolgimento primario del trasformatore enfatizza l'induttanza di dispersione del trasformatore ad alta frequenza.

La gamba con interruttori a coppia S₁ e S₂ sono accesi in modo complementare con un ciclo di lavoro di 50% e un breve tempo morto. Lo stesso vale per la seconda tratta con interruttori a coppia S₃ e S₄. Il segnale di controllo per la commutazione S₃ e S₄ viene spostato di fase rispetto al segnale di gating per commutare S₁ e S₂ per consentire la transizione a tensione zero (ZVS) e per garantire che il primario del trasformatore sia collegato all'ingresso o in cortocircuito.

Quando gli interruttori diagonali sono ON, La potenza viene trasferita al carico attraverso il secondario del trasformatore.

Se gli interruttori superiori o inferiori di entrambe le gambe sono ON Contemporaneamente, non viene trasferita alcuna potenza al secondario, poiché la tensione applicata al primario è pari a zero.

Quando gli interruttori diagonali appropriati sono girati SPENTO, La corrente primaria scorre attraverso il condensatore di uscita dei rispettivi MOSFET e la tensione di drain dell'interruttore si sposta verso il binario di tensione di ingresso opposto. Ciò provoca una tensione nulla sul MOSFET, creando così lo ZVS quando questo si accende. ON. Ciò è possibile quando l'energia di accumulo induttivo fornisce una corrente di circolazione sufficiente a caricare e scaricare il condensatore di uscita dei rispettivi MOSFET.

Il condensatore di uscita parassita dei MOSFET e l'induttanza di dispersione del trasformatore di commutazione sono utilizzati come circuito serbatoio risonante per ottenere una tensione zero sul MOSFET durante la transizione di accensione.

Durante gli intervalli di transizione, l'energia immagazzinata nell'induttore risonante viene utilizzata per caricare e scaricare le capacità parassite del MOSFET per ottenere lo ZVS all'accensione.

L'induttanza di dispersione del trasformatore non deve necessariamente essere ridotta al minimo, poiché un'induttanza di risonanza più grande consente di ottenere lo ZVS in un intervallo di carico maggiore. È possibile aggiungere al trasformatore un'induttanza di dispersione supplementare per aumentare le dimensioni dell'induttanza di risonanza.

V_fuori/V_in relazione

V_IN > V_FUORI

Intervallo del ciclo di lavoro < 1

Vantaggi

• Alta efficienza: da 90% a 95% alle alte frequenze
• Sollecitazione di tensione sull'interruttore limitata a V_in
• ZVS e bassa EMI
• Non richiede circuiti snubber aggiuntivi per ridurre le perdite.
• Il doppio della potenza rispetto a un design a mezzo ponte, scelta eccellente per la tensione di linea UE (pre-regolatore PFC) con potenza di uscita > 1 kW

Svantaggi

• Doppio pilotaggio del gate primario lato alto
• Complessità del circuito
• Elevata corrente primaria di circolazione per ZVS
• Perdita di ZVS con corrente di carico leggera

Applicazioni

• Caricabatterie industriali
• Caricabatterie di bordo per auto
• Sistemi di energia rinnovabile
• Raddrizzatori per telecomunicazioni
• Alimentatori per server

Nel nostro articolo finale su SMPS, In questa sede, esamineremo alcune considerazioni progettuali da tenere presenti nella progettazione dei trasformatori SMPS.