全桥硬开关同步整流PWM驱动设计

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在砖块电源中，由于输入电压相对较低，所以比较适合用硬开关电路实施，同时由于全桥电路工作效率高，在一些较大功率的产品中应用比较广泛，本文我们重点讨论一下其PWM驱动波形的设计。

一.基本的全桥硬开关电路的原理及驱动分析

图1 全桥硬开关电路的功率级电路

我们所讨论的全桥硬开关电路如图1所示，原边采用四个MOSFET形成一个全桥，分别由两个半桥组成，半桥的两个开关节点分别接到变压器的两端，变压器副边采用中心抽头的结构，中心抽头接输出电感，另外两端分别接同步整流MOSFET接到GND.此电路通过调整原边全桥MOSFET的占空比来达到控制和调整输出电压的目的。注意，变压器的存在是由于考虑系统安全和相关的法规需要，这种拓扑称之为隔离变换器拓扑。

图2 基本的全桥硬开关同步整流电路驱动波形

基本的PWM驱动波形如图2，所示，Q1和Q4作为一组对角MOSFET同时导通，Q2和Q3作为另一组对角MOSFET同时导通。VPRI为变压器的原边电压，IPRI为变压器原边的电流，Q5,Q6分别为副边同步整流的两个MOSFET.接下来，我们详细分析一下各个状态的工作特性。

在图2中，T0-T1阶段，这是原边Q1和Q4导通的阶段，输入电压VIN加到了变压器原边，且上正下负，此阶段输入能量向副边传递，输入电流IPRI流过Q1和Q4及变压器原边，且线性上升，根据变压器极性，副边同步整流MOSFET Q5导通。在此阶段中原边电流斜率取决于输入电压，变压器磁化电感及匝比，输出电感等。

T1-T2阶段，这是原边Q1和Q4关断的阶段，此时Q2和Q3还没有导通，因此这时原边全桥四个开关都没有开通，变压器原边的电压为0，这个死区的存在避免了全桥电路中上下管同时导通。一般情况下，在这段死区中，副边同步整流MOSFET都不开通，副边输出电感电流会由于续流的需求让两个MOSFET的体二极管都流过一半的电感电流而续流。

在闭环控制中，T1-T2的死区时间长度，随着输入电压VIN的增加而增加,效率会有所降低。

T2-T3阶段，这是原边另一组对角的MOSFET导通，即Q2和Q3导通阶段，加在变压器原边的电压变为下正上负了，此阶段变压器原边的电流IPRI先减小变为负的，然后再线性上升。所以，在此阶段中，变压器需要向副边传递能量，根据变压器极性，副边同步整流中需要Q6导通。

由于在对角MOSFET的开通关断过程中，同时存在电压和电流，所以会造成开关损耗，我们称之为硬开关电路。

T3-T4阶段，这是一个Q2和Q3关断，但是Q1和Q4还没有导通的死区阶段，我们便不再详述，这和T1到T2阶段类似，同样是变压器原边电压为0，副边同步整流管电流流过体二极管的续流阶段。

在上述分析中，同步整流的MOSFET的导通和关断完全和原边的对角MOSFET同步且一致，这种配置相对较简单，但是由于副边续流电感电流流过同步整流MOSFET的体二极管，因此损耗较大。

二.硬开关全桥同步整流电路PWM驱动优化

在采用数字化的控制芯片后，PWM配置相对比较灵活，可以通过软件对PWM驱动波形的合理配置，提高系统的整体效率。

我们仔细分析，两组对角MOSFET之间的死区，是由于不希望上下桥臂的MOSFET同时导通，以导致输入电压短路，但是由于在死区时间内，副边电感续流电流通过副边MOSFET的体二极管，效率受到较大损失，所以需要合理控制同步整流MOSFET的驱动波形，让它尽可能的导通。与此同时，也要注意原边向副边传递能量时，变压器副边不要短路，因此在原边导通PWM信号和副边续流PWM驱动脉冲信号保持一定的死区即可。

图3 优化的全桥硬开关PWM驱动波形

优化后的驱动波形，如图3所示，副边同步整流MOSFET的驱动脉冲可以重叠，在重叠阶段，副边两个MOSFET都在导通，可以避免电感续流电流流过体二极管，导致较大的损耗。同时，在以上的驱动波形配置中，对副边同步整流MOSFET的驱动脉冲和原边导通MOSFET之间留有一定的小的死区，确保变压器不会短路，即原边向副边传递能量时，不会出现副边两个MOSFET都导通的情况。

在以上配置中，当处在副边MOSFET共同导通给电感续流的阶段时，电感电流的一半流过副边MOSFET，相比流过体二极管压降变小很多，可以很好的改善效率。

基于上述分析，原边Q1/Q4和副边的Q6设置为互补模式PWM输出，Q2/Q3和副边的Q5设为互补模式，设置相应的死区即可。原边的Q1/Q4及Q2/Q3两个PWM信号设置为错相180C即可，闭环控制调整原边两组PWM的占空比Q1/Q4,Q2/Q3即可完成输出电压调整，此处Q1/Q4同时导通，Q2/Q3同时导通，且Q1/Q4和Q2/Q3的占空比相同。

即在Q1/Q4的开关周期一半时，触发Q2/Q3的PWM产生。后续我们将讨论PWM I/O输出模式的具体配置方式。

总结，讨论硬开关全桥的PWM基本配置，和基于改善效率角度的PWM优化配置方式，对副边同步整流PWM驱动波形做了优化，且对硬开关全桥同步整流的基本工作原理做了一定介绍。