优化有源钳位反激式电源设计的效率

随着电子设备对在更小的封装中进行更多处理的需求不断增长，如今任何电源的首要任务都是功率密度。最流行的隔离式电源拓扑是反激式，但传统反激式的泄漏和开关损耗限制了开关频率并阻碍了实现小型解决方案尺寸的能力。幸运的是，有一些新方法可以优化反激式拓扑结构，以产生更高的效率，即使在更高频率下切换也是如此。

限制传统反激拓扑效率的一个关键组件是无源钳位。这是一个电阻电容二极管 (RCD) 网络，放置在开关节点和输入电压之间。其目的是消散变压器漏感并缓解初级场效应晶体管 (FET) 上的电压应力。问题是所有的泄漏能量都被浪费了并产生了损耗。

这种钳位方法的一个流行变体是有源钳位反激式。它用一个有源 FET 和一个钳位电容器代替了无源 RCD 钳位。这种配置可以将泄漏能量存储在电容器中，并在开关周期后期小心地将其传输到输出端，从而提高效率。

使用有源钳位的另一个好处是，我们可以让电流双向流过钳位 FET，从而实现初级 FET 的零电压开关 (ZVS)(图 1 中的 Q L)。

要了解此 ZVS 的重要性，我们必须首先分析 Q L中的开关损耗。公式 1 计算在对开关节点(Q L的漏极)寄生电容放电时，Q L的导通损耗(占总开关损耗的大部分)：

P LOSS_SW =1/2 × C sw_total × (V sw ) 2 × f sw (公式 1)

其中C sw_total是开关节点在开启时的总电容，V SW是开关节点在开启时的电压，f SW是开关频率。

因为当 V SW接近于零时几乎消除了开启开关损耗，所以可以在不增加开关损耗的情况下更快地开关。如果有源钳位反激在过渡模式下运行，我们可以使用 Q H在变压器的初级绕组中建立一些负磁化电流，然后使用该电流对开关节点电容放电。

除了泄漏能量之外，钳位电容器还拥有一些磁化能量。调整 Q H的导通时间允许负磁化电流 (I m- ) 在 Q L导通之前流过开关节点并将其放电至零。

I m-的量必须刚好足够大以实现 ZVS，而不是更多。等式 2 给出了 I m-的最小值：

I m- = – √ (C sw_total /L m ) × V in (公式 2)

过大的负电流会导致更高的铁损和更低的工作频率。精确控制负电流量需要专用控制器，例如德州仪器 UCC28780。

将节点电容 C sw_total限制在最小值也很关键。更高的开关节点电容需要更多的负电流，这会增加磁芯损耗。公式 3 显示了影响开关节点总电容的主要组件：

C sw_total = Coss_Q H + Coss_Q L + C Xfmer + C D_Boot + Coss反射 (等式 3)

其中 Coss_Q H是钳位 FET (Q H ) 的总输出电容，Coss_Q L是初级 FET 的输出电容 (Q L )，C Xfmer是变压器的寄生电容，C D_Boot是自举二极管的寄生电容，以及Coss反射是同步整流器 FET 的反射输出电容。

此设计中最关键的组件往往是两个主 FET，因此在选择它们时必须仔细考虑。使用 ZVS，初级 FET (Q L )中的大部分损耗将是传导损耗。因此，R DS(on)成为关键规格，但请记住，随着 R DS(on)的降低，它会以增加的 C oss为代价，这会增加开关节点的电容。在 Q L中追求超低导通电阻不会导致优化设计。50W 至 100W 有源钳位反激式设计的一个良好起点是选择R DS(on)范围为 150-350 mΩ的 Q L。

设计人员常犯的一个错误是为 Q L和 Q H选择相同的 FET 。Q H中的均方根 (RMS) 电流低于 Q L中的电流，因此 Q H可以承受更高的导通电阻。我们比较了针对 Q L和 Q H使用优化 FET 与使用相同 FET 且导通电阻非常低的情况。如我们所见，通过优化每个 FET，我们可以以更低的成本获得更高的效率和更低的功耗。对于更高效率的需求，我们可以通过使用氮化镓 FET 而不是硅 FET 来进一步降低 C oss ，但这会增加成本。

我们可以通过一种称为次级谐振的技术降低 Q H中的 RMS 电流，从而进一步提高效率。对于初级谐振，变压器的漏感在变压器退磁期间仅与钳位电容器谐振。次级谐振在输出端使用一个简单的电感-电容滤波器，使漏感与附加的次级谐振电容 (C sec_res ) 发生谐振，使得 C Clamp >> C sec_res /(初级与次级匝数比) 2。

具有初级谐振(左)和次级谐振(右)的相同电路。两者均采用相同的规格，并清楚地显示了次级谐振如何改变电流的形状并降低初级 RMS 电流。使用次级谐振可以降低变压器初级绕组和 Q H的传导损耗。在初级电流最高的较低输入电压下效率提高最大。在许多情况下，实施二次谐振可以在 90 V AC下将效率提高 1% 。

如果设计得当，有源钳位反激式可以实现令人印象深刻的效率和功率密度。使用能够以最佳负电流维持过渡模式操作的控制器至关重要。

下次我们设计有源钳位反激时，请记住优化 FET 选择以最小化开关节点电容以及添加次级谐振电路以提高效率和热性能的重要性。