如何使用非耗散钳位提高反激效率

在反激式转换器的标准形式中，变压器的漏感会在初级场效应晶体管 (FET) 的漏极上产生电压尖峰。为了防止该尖峰变得过度和损坏，FET 需要一个钳位网络，通常带有耗散钳位，如图1所示。但耗散钳位中的功率损耗限制了反激式转换器的效率。在本电源技巧中，我将研究反激式转换器的两种不同变体，它们使用非耗散钳位技术来回收泄漏能量并提高效率。

图 1 大多数反激式转换器都采用耗散钳位。

耗散钳位中的功率损耗与每个开关周期的漏感中存储的能量有关。当 FET 导通时，变压器初级绕组中的电流增加至控制器确定的峰值电流值。该峰值电流在初级磁化电感和漏电感中流动。当 FET 关闭时，磁化能量通过变压器的次级绕组传递到输出。泄漏能量不通过变压器铁芯耦合，因此它保留在初级侧并流入钳位器。

重要的是要了解，泄漏能量不仅会在钳位中消散，而且还会在钳位中消散。磁化能量的一部分也是如此。将初级绕组电压钳位为远高于反射输出电压可以最大限度地减少钳位中消耗的磁化能量。

双开关反激式是反激式转换器的常见变体，可回收泄漏能量。图 2 是双开关反激式的简化原理图。两个初级 FET 串联连接，初级绕组位于它们之间。这两个 FET 同时导通或截止。当它们打开时，初级绕组连接到输入并通电至峰值电流。当它们关闭时，次级绕组将磁化能量传递到输出，泄漏能量通过 D1 和 D2 回收回输入。通过回收泄漏能量，双开关反激式比单开关耗散钳位同类产品具有更高的效率。

图 2双开关反激式将泄漏能量回收至输入。

两个开关同时导通的事实在一定程度上抵消了所获得的效率，因此传导损耗往往会增加，特别是在低输入电压应用中。幸运的是，两个 FET 的漏极至源极电压均钳位至输入电压，因此与单开关反激式相比，您可以使用额定电压较低的 FET。钳位电压应力在高输入电压应用中也具有优势。

效率增益与漏感与磁化电感之比有关，通常约为 2%。回收泄漏能量除了提高效率之外还有其他好处。在高功率反激式应用(通常大于 75W)中，耗散钳位中的损耗可能会造成热管理噩梦。双开关反激式完全消除了这种热源。

更高的效率和改进的热性能的代价是成本和复杂性的增加。不仅需要额外的 FET;高侧 FET 的隔离驱动器也是如此。此外，需要设置变压器匝数比，以使反射输出电压小于最小输入电压。否则，输出电压将被钳位，变压器将无法正确复位。因此，双开关反激式固有地限制在最大 50% 占空比。实际上，反射输出电压应充分低于最小输入电压，以允许漏感快速复位。

图 3中的电路 显示了回收泄漏能量的另一种方法，但使用单开关反激式。这种非耗散钳位并不新鲜，但也不是众所周知。然而，它提供了许多与两开关反激式相同的优点。

图 3 添加到单开关反激式的简单非耗散钳位。

实现该钳位需要在变压器的初级侧添加钳位绕组。该绕组必须具有与初级绕组相同的匝数。添加了一个钳位电容器，连接到 FET 的漏极。钳位电容器的另一端通过二极管 D1 钳位至输入电压，并通过二极管 D2 钳位至钳位绕组。

钳位绕组和 D2 将钳位电容器两端的电压限制为等于输入电压的最大值，这在初级环路应用基尔霍夫电压定律时很明显，如图4所示。请注意，无论极性或大小如何，两个初级绕组电压都会相互抵消。此方法仅在两个绕组使用相同匝数时才有效。

图 4 钳位电容器电压受输入电压限制。

要了解该钳位的工作原理，请考虑 FET 关闭时会发生什么情况。当初级 FET 关闭时，漏感中的电流流经钳位电容器和正向偏置二极管 D1。当 D1 导通时，漏感两端的电压等于输入电压与反射输出电压之间的差值。一旦漏感中的电流降至零，D1 就会关闭。传递到钳位电容器的泄漏能量暂时使钳位电容器上的电压升高到略高于输入电压。当 D1 关闭时，D2 钳位器通过变压器绕组中的耦合有效地将存储的电荷传输到输出。

该钳位电路需要的元件更少，并且比双开关反激式电路更便宜。就像双开关反激式一样，它可以将效率提高几个百分点，并消除与耗散泄漏能量相关的热问题。该钳位电路还将占空比限制为最大值 50%。代价是该电路需要更高电压的 FET，其额定电压必须是输入电压的两倍以上。与双开关反激式相比，FET 漏极上的较高电压也可能带来更多的电磁干扰挑战。

有源钳位反激式是反激式的另一种形式，它可以回收泄漏能量，同时可以提供零电压开关。有源钳位反激更复杂，需要专门的控制器，例如 UCC28780，使其值得拥有自己的电源提示，因此我将在以后讨论。下次设计高功率反激式时，请考虑使用非耗散钳位来提高效率并保持电源凉爽。