圖(01)是 Unitrode 公司(已被德州儀器公司并購(gòu))生產(chǎn)的 UC1525A(與 UC2535A、UC3525A 相同，三個(gè)型號(hào)僅工作溫度范圍不同)開關(guān)電源控制芯片用變壓器驅(qū)動(dòng)半橋的電路。圖中 Q1 和 Q2 為功率開關(guān) MOS 管，T1 為驅(qū)動(dòng)變壓器，T2 為功率輸出的主變壓器。
圖(01)
圖(01)中我們見到驅(qū)動(dòng)變壓器 T1 具有兩個(gè)次級(jí)，反相驅(qū)動(dòng)兩個(gè)功率開關(guān) MOS 管 Q1 和 Q2。
與上次貼出的 SG3525 經(jīng)變壓器驅(qū)動(dòng)半橋電路不同之處，主要是變壓器初級(jí)兩端各有一支二極管接地。
無(wú)論是并聯(lián)推挽(即兩個(gè)功率開關(guān)管通過(guò)初級(jí)具有中心抽頭的輸出變壓器耦合)，半橋(可稱為串聯(lián)推挽)，還是全橋，兩個(gè)功率開關(guān)管(對(duì)全橋來(lái)說(shuō)是對(duì)角線上兩個(gè)開關(guān)管為一組，兩組開關(guān)管)中電流應(yīng)該是互補(bǔ)對(duì)稱，相位相差 180°且?guī)в?ldquo;死區(qū)”(兩個(gè)功率管均不導(dǎo)通)的波形。如圖(02)和圖(03)所示。之所以必須相位相差 180°且?guī)в?ldquo;死區(qū)”，乃是為了避免“共同導(dǎo)通”(后面將有敘述)。
圖(02)
圖(02)是占空比較大時(shí)兩個(gè)功率開關(guān)管中的電流波形。
圖(03)
圖(03)是占空比較小時(shí)兩個(gè)功率開關(guān)管中的電流波形。
既然功率開關(guān)管中電流是這樣的波形，那么驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管門極的電壓波形也應(yīng)該是如圖(04)和圖(05)那樣的波形。
圖(04)
圖(04)是占空比較大時(shí)兩個(gè)功率開關(guān)管門極電壓波形。
圖(05)
圖(05)是占空比較小時(shí)兩個(gè)功率開關(guān)管門極電壓波形。
圖(04)和圖(05)同時(shí)也是 UC1525A 的 11 腳和 14 腳(兩路輸出端)的電壓波形。事實(shí)上，UC1525A 兩個(gè)輸出端輸出的正是互補(bǔ)對(duì)稱，相位相差 180°且?guī)в兴绤^(qū)(兩個(gè)功率管均不導(dǎo)通)的波形。
驅(qū)動(dòng)變壓器初級(jí)兩端電壓是 UC1525A 兩個(gè)輸出端電壓之差(不是和！)，所以驅(qū)動(dòng)變壓器初級(jí)兩端電壓波形如圖(06)和圖(07)所示。
圖(06)
圖(06)顯示的是占空比較大時(shí)驅(qū)動(dòng)變壓器初級(jí)兩端的電壓波形。
注意紅色箭頭所指處初級(jí)兩端電壓為零，這就是所謂“死區(qū)”。設(shè)置“死區(qū)”目的是要半橋上下兩管均不導(dǎo)通。如果半橋上下兩管同時(shí)導(dǎo)通，那么電源將通過(guò)兩管短路，兩管均會(huì)流過(guò)很大的電流。這種現(xiàn)像叫“共同導(dǎo)通”，其后果可能是災(zāi)難性的，功率管很可能會(huì)燒毀。
圖(07)
圖(07)顯示的是占空比較小時(shí)驅(qū)動(dòng)變壓器初級(jí)兩端的電壓波形。
“死區(qū)”決不可省，因?yàn)?MOS 管關(guān)斷延遲時(shí)間總是比開通延遲時(shí)間要長(zhǎng)一點(diǎn)(參考各種型號(hào) MOS 管 datasheet)，雙極型三極管就更不用說(shuō)了，關(guān)斷比開通慢得多。也就是說(shuō)，驅(qū)動(dòng)變壓器初級(jí)即使施加的是矩形方波(沒(méi)有死區(qū))，半橋的上下兩管也必定會(huì)有短暫的“共同導(dǎo)通”，這段時(shí)間就是管子關(guān)斷延遲時(shí)間與開通延遲時(shí)間的差，一支管子尚未關(guān)斷而另一支管子已經(jīng)導(dǎo)通。
正是考慮到避免“共同導(dǎo)通”，所以任何雙端輸出的開關(guān)電源控制芯片都設(shè)置了“死區(qū)”，某些型號(hào)的芯片，甚至可以用外部元件調(diào)整“死區(qū)”時(shí)間，例如 TL494 的“死區(qū)”時(shí)間就可以從外部調(diào)節(jié)。
圖(08)
現(xiàn)在我們看看在 PWM 的一個(gè)周期內(nèi)都發(fā)生了些什么事情。
圖(08)是中等占空比時(shí)驅(qū)動(dòng)變壓器初級(jí)兩端電壓波形，圖(09)是分立元件 Q1～Q4 構(gòu)成全橋，全橋的輸出供變壓器 T 驅(qū)動(dòng)大功率半橋的電路。
首先，這樣的波形對(duì)變壓器來(lái)說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闄M軸上面和橫軸下面面積相等，即一個(gè)周期內(nèi)伏秒積為零，變壓器鐵芯不會(huì)因伏秒積不為零而出現(xiàn)磁飽和。
圖(08)中時(shí)刻 0 到時(shí)刻 t1，Q2 和 Q3 導(dǎo)通，Q1 和 Q4 關(guān)斷，變壓器 T 初級(jí)繞組 Z1 兩端電壓極性如圖中正負(fù)符號(hào)所示。由變壓器各繞組同名端可知，次級(jí)繞組 Z2 和 Z3 兩端電壓極性如圖(08)所示，MOS 管 T1 門極對(duì)源極為正，T1 應(yīng)該導(dǎo)通。而 T2 門極對(duì)源極為負(fù)，這沒(méi)有關(guān)系。目前使用的大功率 MOS 管都是增強(qiáng)型，對(duì) N 溝道 MOS 管，門極對(duì)源極電壓為零固然 MOS 管關(guān)斷，門極對(duì)源極為負(fù)仍然是關(guān)斷。
時(shí)刻 0 到時(shí)刻 t1，電流方向如圖(08)中紅色箭頭所示。千萬(wàn)注意：MOS 管門極源極之間不是電阻，而表現(xiàn)為一個(gè)電容，所以在矩形波的前沿瞬間電流很大，隨即降低到相當(dāng)小，在時(shí)刻 0 到時(shí)刻 t1 這段時(shí)間內(nèi)電流變化很大，并非總是一樣大的。所以紅色箭頭只表示電流方向，并不表示電流大小。
圖(09)
時(shí)刻 t1，兩支 MOS 管應(yīng)該關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)該為零。此時(shí)刻應(yīng)該讓 Q3 關(guān)斷而 Q2Q4 導(dǎo)通，以便驅(qū)動(dòng)變壓器三個(gè)繞組兩端電壓均為零。
但是前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，MOS 管門極與源極之間是個(gè)電容，這個(gè)電容已經(jīng)在 0～t1 這段時(shí)間里面被充電。現(xiàn)在要讓門極與源極之間電壓為零，這個(gè)電容必須放電，無(wú)論 T1 還是 T2 門極電容都必須放電。放電過(guò)程中，門極源極之間電容從能量角度來(lái)說(shuō)是電源，變壓器繞組 Z2 和 Z3 成為初級(jí)，而 Z1 是次級(jí)。兩 MOS 管門極電容放電電流方向如綠色箭頭所示。
Q4 已經(jīng)導(dǎo)通，電流從 Q4 集電極流向發(fā)射極，這沒(méi)有問(wèn)題。問(wèn)題是電流不可能從 Q2 發(fā)射極流向集電極，因?yàn)?Q2 基極對(duì)發(fā)射極為正(這樣 Q2 才會(huì)導(dǎo)通)，電流將流入 Q2 基極，而基極電路通常阻抗較高。于是，變壓器繞組 Z1 兩端不能形成短路，T1 和 T2 門極電容也就不能放電，T1 無(wú)法關(guān)斷。
所以，Q2 和 Q4 必須反并聯(lián)二極管，圖中可見：綠色箭頭方向的電流可以經(jīng)二極管 D1 形成回路，也就是說(shuō)，時(shí)刻 t1 到時(shí)刻 t2 這段時(shí)間里面繞組 Z1 被 Q4 和 D1 近似短路。由變壓器特性可知，Z2 和 Z3 繞組也相當(dāng)于短路，T1 和 T2 門極放電，門極對(duì)源極電壓接近于零，T1 和 T2 均關(guān)斷。這樣才符合我們的要求。
顯然，Q4 反并聯(lián)的二極管 D2 是供時(shí)刻 t3 到時(shí)刻 t4 這段時(shí)間里面短路 Z1 之用。也就是 MOS 管 T2 從導(dǎo)通到關(guān)斷。兩個(gè) MOS 管門極電容放電之用。
D1 和 D2 最好是使用肖特基二極管，壓降較小，使得變壓器 Z1 繞組在兩個(gè) MOS 管需要關(guān)斷時(shí)更接近于理想的短路。
顯然，只有具備了與三極管反并聯(lián)的二極管 D1 和 D2，我們才能夠使用變壓器驅(qū)動(dòng)半橋或者全橋，而且變壓器在每個(gè)周期中均能夠?qū)崿F(xiàn)磁復(fù)位(伏秒積為零)鐵芯不會(huì)進(jìn)入磁飽和。改變占空比時(shí)仍然能夠保證變壓器不會(huì)磁飽和，且半橋兩個(gè)功率管均正常開關(guān)。這就是圖(01)中二極管 D1 和 D2 的由來(lái)。
二極管 D1 和 D2 也可以與 Q1 和 Q3 并聯(lián)，不過(guò)那樣的話，Q1～Q4 的驅(qū)動(dòng)順序必須改變：要變壓器繞組 Z1 兩端短路，必須讓 Q1 和 Q3 導(dǎo)通，而 Q2 和 Q4 關(guān)斷。D1D2 并聯(lián)于 Q1Q3 時(shí)的驅(qū)動(dòng)波形和 D1D2 并聯(lián)于 Q2Q4 時(shí)的驅(qū)動(dòng)波形不一樣。
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