5 PSFB 控制

本节介绍不同 PSFB 控制方法的一些细微差别。图 26 是实现 PSFB 所需控制逻辑的简要方框图，其中 OUT1H 和 OUT1L 是初级 FET 一个半桥的栅极逻辑，而 OUT2H 和 OUT2L 是初级 FET 另一个半桥的栅极逻辑。一个设置为预期开关频率的时钟直接控制 OUT1H 和 OUT1L PWM 对。OUT2H 和 OUT2L 由以下组合进行控制：

• 一个斜坡信号，该信号由电阻器、电容器和固定基准电压 V_{RAMP_REF} 组成。
• 一个误差放大器，该放大器通过带补偿网络的电阻分压器对输出电压进行采样。
• 一个比较器，该比较器用于比较误差放大器输出与斜坡信号电压。
• 一个 T 触发器，该触发器用于根据比较器输出来设置 OUT2H 和 OUT2L 的状态。T 触发器由上升沿触发。

图 27 展示了图 26 中所示电路的栅极逻辑波形。在新开关周期开始时，斜坡信号会重置为 0V，并且一对对角初级 FET（OUT1H 和 OUT2L）导通。当斜坡信号 V_RAMP 大于误差放大器输出电压 V_COMP 时，T 触发器将会切换，从而改变 OUT2H 和 OUT2L 的状态。在开关周期的中途点，OUT1H 和 OUT1L 的状态会发生变化，并且斜坡电压复位。此时另一个初级 FET 对角对 OUT1L 和 OUT2H 处于导通状态。当斜坡信号超过误差放大器输出电压时，T 触发器会再次切换，从而改变 OUT2H 和 OUT2L 的状态。

我们刚才描述的控制逻辑称为电压模式控制。图 28 展示了该控制逻辑的一个细微变化，它使用 V_IN 或与 V_IN 成比例的电压而不是固定基准电压来生成斜坡信号。这种方法的优点在于，控制逻辑可以即时反映 V_IN 的变化，因为斜坡的瞬态电压 (dV/dt) 会随着 V_IN 的变化而立即变化。这可以更大限度地减小由 V_IN 变化引起的 V_OUT 偏差。

图 29 显示了控制逻辑的另一种形式，称为峰值电流模式控制。此方法使用来自功率级的采样电流信息 I_CS 取代了斜坡信号。

决定使用电压模式控制还是峰值电流模式控制，将会影响 PSFB 的功率级设计。对于电压模式控制，需要一个与变压器初级绕组串联的直流阻断电容器，如图 30 所示，以便避免绕组电流不平衡引起变压器饱和问题。由于所有变压器初级绕组电流全部流经该直流阻断电容器，因此需要一个具有足够额定电流的电容器，或一组满足所需额定电流要求的电容器。应用直流阻断电容器时，次级侧整流器的电压应力会增大。这是因为，当一对对角初级 MOSFET 导通时，直流阻断电容器电压纹波使得变压器初级绕组电压振幅大于 V_IN。因此，您必须在直流阻断电容器的尺寸和电容与电压应力之间做出权衡。

电流模式控制的优势之一在于不需要直流阻断电容器，这是因为控制环路会直接对变压器的峰值电流进行采样和调节。图 31 圈出了三个可以实现功率级电流采样的位置。

位置 1 放置了一个电流检测元件，如与 PSFB 变压器串联的电流检测变压器。该位置的优势之一是，由于 PSFB 变压器的双向电流流动，您可以自动将电流检测变压器铁芯复位。该位置的缺点之一是，来自变压器的电流检测信号仅包含交流信息，但不包含直流信息。一些因素，如功率级中的延迟失配或耦合到电流检测信号中的共模噪声，可能会将 PSFB 变压器电流偏置到一侧，这可能在变压器设计中需要更大的裕度以避免饱和。

位置 2 将电流采样放置在输入电容器和初级侧上的全桥之间。您可以在输入电容器和全桥之间放置一个变压器，或者在从全桥回到输入电容器的返回路径中放置。该位置的好处是变压器的电流检测信号同时包含交流和直流信息，可以避免位置 1 的缺点。位置 2 的缺点是，初级侧功率级环路内的寄生电感会增加。很重要的是，需要管理初级 FET 上的电压应力，该电压应力因寄生环路电感升高引起的振铃所导致。该位置还会带来一个挑战，即每个开关周期都需要将变压器铁芯复位两次。当两个高侧或两个低侧初级 FET 均导通时，将会发生此复位。对于需要高占空比的设计，或完成复位的时间较短的高频设计，变压器铁芯复位甚至更有挑战性。此外，还可以在从全桥回到输入电容器的返回路径中，使用分流电阻器加电流检测放大器作为电流检测元件。这样以分流电阻器中的功耗为代价，避免了任何变压器复位难题。

位置 3 在输出电感器电流回到整流器的返回路径中，位于次级侧。设计人员通常在该位置使用电流检测电阻器和电流检测放大器。与另两个位置不同，电流采样位于转换器的次级侧，当 PSFB 控制器也位于次级侧时，这样可以使实现变得简化，因为无需穿过隔离栅。在这三个位置中，当应用有源钳位时，位置 3 是唯一在电流斜升期间没有失真电流的位置。

图 32 针对以 100kHz 运行的 3kW 400V_IN 输入至 12V_OUT PSFB 转换器，比较了电压模式控制 PSFB 模型（Christophe Basso 在“开关转换器的传递函数”中提出）的被控对象传递函数和峰值电流模式控制 PSFB 模型（Shi-Song Wang 在“采用峰值电流模式控制的相移全桥转换器小信号建模”中提出）的被控对象传递函数。PSFB 是降压派生拓扑，虽然可以预期电压模式控制降压和电压模式控制 PSFB 之间会有相似之处，但 L_S 引起的占空比损耗影响会导致阻尼效应，这样电压模式控制 PSFB 的交流响应中就不会出现峰值。电压模式控制模型在其被控对象传递函数中呈现了两个实极点，而峰值电流模式控制模型则呈现了一个实极点。在峰值电流模式控制中，更柔和的增益滚降表明它具有优势，因为它实现了更高的环路带宽，这对于需要关注负载瞬态响应的应用来说很有吸引力。