PSFB 移相全桥 — ZVS 实现、控制时序与工程陷阱

这一节先把“拓扑结构”对应的对象关系说清，后面的结构块用于快速定位各部分之间的连接。

变压器副边接整流级(全桥 / 中心抽头 / 倍流)+ LC 滤波 → 输出。

4 管两两互补:

• 超前臂 QA/QB:50% 占空比,QA = sin(ωt),QB = sin(ωt + π)
• 滞后臂 QC/QD:50% 占空比,QC 相对 QA 移相 φ,QD = QC + π

移相角 φ ∈ [0, π] 决定输出功率:

• φ = 0:对角对管同时通,最大功率(全占空)
• φ = π:对角对管完全错开,零功率

实际有效占空比:

ΔD 是 Llk 引起的"占空比丢失"——下面详解。

每次桥臂换流瞬间(QA 关 QB 开 / QC 关 QD 开),死区时间 tdt 内 4 管全关:

1. 死区开始:原边电流 Ip 仍流动(Llk 储能)
2. Ip 通过 Coss(QA)+ Coss(QB)放电充电(谐振)
3. 当 VDS(QB)= 0 时,体二极管导通,VGS(QB)拉高 → ZVS 开通

ZVS 成立要求 Llk 储能 ≥ Coss 储能:

整理:

满足条件的最小原边电流 Ip,min——这就是 ZVS 的最小负载下界。

超前臂(leading leg):换流瞬间 Ip = Iload(满载),容易 ZVS。

滞后臂(lagging leg):换流瞬间 Ip 已经被副边二极管"截断"(变压器电流降到反射的负载电流),有效驱动 ZVS 的电流更小 → 更难 ZVS。

实务:轻载下滞后臂先丢 ZVS——典型 PSFB 在 30% 负载以下滞后臂硬开关,效率掉 1-2%。

Llk 阻止原边电流瞬间换向:

• t = 0: QA off, QB on,但 Ip 仍是正值
• Llk 让 Ip 从 +Iload 线性下降到 -Iload,需要时间 ΔT
• 在 ΔT 期间,变压器副边两个二极管同时导通(都被反向偏置),副边电压 = 0 → 副边没有功率传输

ΔT 内能量损失,等效于占空比下降:

n = 变压器匝比,Tsw = 开关周期。

Llk ↑ → ZVS 容易但 ΔD 大 → 输出电压调节范围窄; Llk ↓ → ΔD 小但 ZVS 难。

工程平衡:Llk 取 5-10% 主电感,ZVS 工作区在 30%-100% 负载。

4 个二极管/MOSFET。

• 优点:变压器对称,磁化最优;副边器件应力 Vo
• 缺点:4 个器件电流路径都过 2 个 → 损耗 2 × Vf
• 适用:高压低流(Vo > 100V)

2 个二极管 + 中心抽头变压器。

• 优点:每路只 1 个器件电流路径 → 1 × Vf
• 缺点:副边器件应力 2 × Vo(电压翻倍)
• 适用:低压高流(Vo < 50V)如 12V/24V 通信电源

2 个二极管 + 2 个滤波电感。

• 优点:每个滤波电感只承担一半电流 → 散热分散
• 缺点:需要两个电感,体积大
• 适用:极低压超大流(Vo < 12V,Io > 50A)如 CPU VRM

副边二极管的 Vf × I × 2 损耗在低压高流场景占主导,用 MOSFET 同步整流(SR)替代:

• Vf 损耗 → RDS(on) × I² 损耗
• 12V/50A 时 Vf 损耗 = 35W,SR 损耗 5-10W → 效率 +3-5%
• 代价:SR 控制器(LM5036 / UCC24612)+ 死区精确控制

EV OBC / 服务器 PSU 副边几乎全用 SR。

副边二极管反向恢复 + 变压器漏感 + 二极管寄生电容形成 LC 谐振环:

• 副边二极管 turn-off 瞬间,Llk(副边)+ C_diode 振荡
• 振荡电压可达 2-3 × Vo,击穿副边器件

最常见钳位:R + C + D 串联,跨副边二极管或 SR MOSFET。

• D 单向通 → 振荡能量灌入 C → R 耗散
• 设计:C 取使振荡周期 < 死区时间;R 由功率耗散决定

用 MOSFET + 电容 主动回收振荡能量(代替 RCD 的 R 耗散):

• 效率高 1-2%
• 电路复杂,控制时序难
• 适用:高功率 PSFB(>3 kW)

PSFB 通常用电压模式控制(VMC) 或 峰值电流模式(PCMC):

• VMC:外环电压 → 内环 PWM 比较器(简单,稳定)
• PCMC:外环电压 → 电流参考 → 内环原边电流采样比较(响应快,过流保护内置)

这一节先给出“控制 IC”需要同时考虑的几个判断点，后面的条目按工程优先级展开。

• TI UCC28950/28951:PSFB 专用控制器,集成 SR 控制 + ZVS 自适应死区
• TI UCC2895:经典 PSFB 控制器
• LM5046:SR 同步整流配套
• Infineon ICE2HSx:中功率集成方案

这一节先给出“何时选 PSFB”需要同时考虑的几个判断点，后面的条目按工程优先级展开。

• 输入电压稳定(PFC 后),输出电压宽调节(0-Vmax)
• 负载相对稳定(避开轻载 ZVS 丢失区)
• 功率 1-10 kW 中段
• 例:48V/100A 通信电源,400V/2.5A 焊接电源,服务器 12V/200A 电源

这一节先给出“何时选 LLC”需要同时考虑的几个判断点，后面的条目按工程优先级展开。

• 输入输出都相对稳定(如 PFC 后 → 12V 服务器)
• 全负载范围都需要高效率(80 PLUS Titanium)
• 例:服务器 PSU 后级,EV OBC 后级 DC/DC

Llk + Coss 谐振周期与负载相关:

• 满载:Ip 大,谐振快 → 短死区 ✓
• 轻载:Ip 小,谐振慢 → 长死区,但死区过长会产生反向激励

实务:自适应死区(UCC28950 内置)或固定一个折中死区 + 接受轻载效率损失。

PSFB 96% 效率提升的最后 1% 通常在:

• 减小变压器漏感(改进绕制)
• 副边 SR 替代二极管
• 副边振荡 RCD → Active Clamp

SR MOSFET 误触发(由 dv/dt 或 Miller 反耦合)→ 副边短路 → 大电流毁器件。必须有:

• 死区 ≥ 100 ns
• SR 控制器有 VDS 检测(零电流过零关 SR)
• Gate driver 含 Active Miller Clamp

ΔD 在轻载和重载差异大,实际输出电压随负载变化 → 必须通过控制环路补偿。但环路带宽有限,动态负载阶跃响应 比 LLC 差。