5 PSFB 控制

本節介紹了與 PSFB 控制有關的一些細微差別。圖 26 是實作 PSFB 所需控制邏輯的高階方塊圖，其中 OUT1H 和 OUT1L 是一次 FET 的一個半橋閘極邏輯，OUT2H 和 OUT2L 是二次 FET 的另一個半橋閘極邏輯。設定為預期開關頻率的時脈可直接控制 OUT1H 與 OUT1L PWM 對。OUT2H 和 OUT2L 由以下組合控制：

• 斜坡訊號，由電阻器、電容器和固定參考電壓 V_{RAMP_REF} 組成。
• 誤差放大器，透過帶有補償網路的電阻分壓器對輸出電壓進行取樣。
• ‌比較器，比較誤差放大器的輸出和斜坡訊號電壓。
• T 型正反器，根據比較器輸出設定 OUT2H 和 OUT2L 的狀態。T 型正反器為正緣觸發。

圖 27 展示了圖 26 所示電路的閘邏輯波形。在新的開關週期開始時，斜坡訊號重設為 0V，一次 FET 對角線對 OUT1H 和 OUT2L 導通。當斜坡訊號 V‌_RAMP‌ 變得大於誤差放大器輸出電壓 V‌_COMP‌ 時，T 型正反器進行切換，從而改變 OUT2H 和 OUT2L 的狀態。在開關週期的中間點，OUT1H 和 OUT1L 的狀態發生變化，斜坡電壓重設。另一對對角一次 FET OUT1L 和 OUT2H 現已導通。當斜坡訊號超過誤差放大器輸出電壓時，T 型正反器會再次切換，從而改變 OUT2H 和 OUT2L 的狀態。

我們剛才介紹的控制邏輯稱為電壓模式控制。圖 28 顯示了此控制邏輯的細微變化，它使用 V_IN 或與 V_IN 成比例的電壓來產生斜坡訊號，而不是使用固定參考電壓。這種方法的優點是控制邏輯可以立即反映 V_IN 的變化，因為斜坡的瞬態電壓 (dV/dt) 會立即隨 V_IN 而變化。這最大限度地減少了由 V_IN 變化所造成的 V_OUT 偏差。

圖 29 顯示了控制邏輯的另一種變體，稱為峰值電流模式控制。此方法使用來自功率級的取樣電流資訊 I_CS 來取代斜坡訊號。

使用電壓模式控制或峰值電流模式控制的決定，會對 PSFB 功率級的設計產生影響。對於電壓模式控制，您需要將一個 DC 阻隔電容器與變壓器一次繞組串聯，如圖 30 所示，以避免繞組電流不平衡導致的變壓器飽和問題。由於所有變壓器一次繞組電流都流經 DC 阻隔電容器，因此您需要一個足夠的額定電流電容器或滿足所需額定電流的電容器組合。當使用 DC 阻隔電容器時，二次側整流器的電壓應力會增加。這是因為，當一對對角一次 MOSFET 導通時，DC 阻隔電容器電壓漣波使得變壓器一次繞組電壓振幅大於 V_IN。因此，您必須在 DC 阻隔電容器的尺寸和電容與電壓應力間做出取捨。

電流模式控制的優點之一是不需要 DC 阻隔電容器，因為控制迴路會直接對變壓器的峰值電流進行取樣和調節。圖 31 圈出了可以實作功率級電流取樣的三個位置。

1 號位置將電流感測元件 (例如電流感測變壓器) 與 PSFB 變壓器串聯。此位置的優點之一是，由於 PSFB 變壓器的雙向電流流動，您可以自動重設電流感測變壓器磁芯。此位置的缺點之一是來自變壓器的電流感測訊號僅包含 AC 資訊，而不包含 DC 資訊。功率級中的延遲失配或電流感測訊號中的共模雜訊耦合等因素可能會使 PSFB 變壓器電流偏壓到一側，可能需要在變壓器設計上留出更大的裕量以避免飽和。

2 號位置將電流取樣放在輸入電容器和一次側的全橋之間。您可以在輸入電容器和全橋之間放置變壓器，也可以在從全橋返回輸入電容器的返回路徑中放置變壓器。此位置的優點是變壓器的電流感測訊號包含 AC 和 DC 訊息，避免了 1 號位置的缺點。‌2 號位置的缺點是一次側功率級迴路內的寄生電感增加。管理一次 FET 上的電壓應力非常重要，這些電壓應力是由來自較高寄生迴路電感的振鈴所引起。‌此位置所面臨的另一個挑戰是每個開關週期需要重設變壓器磁芯兩次。當兩個高壓側或兩個低壓側一次 FET 都導通時，就會發生重設情形。對於需要高工作週期的設計或完成重設的時間較短的高頻設計來說，重設變壓器磁芯變得更加困難。‌另外，也可以使用分流電阻器和電流感測放大器作為從全橋返回到輸入電容器的返回路徑中的電流感測元件。如此一來就避免了任何變壓器重設挑戰，而代價則是分流電阻器的功率耗散。

3 號位置位於輸出電感電流返回整流器的返回路徑中的二次側。設計人員通常會在此位置使用電流感測電阻器和電流感測放大器。與其他兩個位置不同的是，電流取樣位於轉換器的二次側，如果 PSFB 控制器也位於二次側，則可以簡化實作，因為無需跨越隔離層。在這三個位置中，當施加主動箝位時，3 號位置是唯一在電流斜坡期間沒有失真電流的位置。

圖 32 比較了 Christophe Basso 在「開關轉換器的傳遞函數」中提出的電壓模式控制 PSFB 模型的被控電位傳遞函數，以及 Shi-Song Wang 在「具有峰值電流模式控制的相移全橋轉換器的小訊號建模」中提出的峰值電流模式控制 PSFB 模型的被控電位傳遞函數，適用於工作頻率為 100kHz 的 3kW、400V_IN 至 12V_OUT PSFB 轉換器。PSFB 是一種降壓衍生拓撲，雖然您可能預期電壓模式控制降壓和電壓模式控制的 PSFB 之間有相似之處，但 L_S 引起的工作週期損耗的影響會導致阻尼效應，因此電壓模式控制的 PSFB 的 AC 響應中沒有峰值。電壓模式控制的模型在其受控體轉移函數中呈現兩個實極，而峰值電流模式控制模型則呈現一個實極。峰值電流模式控制中增益的柔和滾降表明它具有優勢，因為它實現了更高的迴路頻寬，這對於注重負載瞬態響應的應用很有吸引力。