设计高开关频率整流器的有源钳位电路

导言

在车辆电气系统中,高低压直流/直流转换器是一种可逆的电子装置,它将直流从车辆的高压(400V或800V)电池变为低直流电压(12V)。这些转换器可以是单向或双向的。从1千瓦到3千瓦的功率水平是典型的,转换器的高压电网(主端)需要650V至1200V的组件,12V电网(副端)需要至少60V的组件。

由于需要更大的功率密度和更小的动力系统,电力组件的开关频率增加到几百千赫兹,以帮助缩小磁性组件的尺寸。高低压直流/直流变换器的小型化暴露了许多在较低开关频率上不重要的问题,如电磁兼容性(EMC)、热耗散和金属氧化物半导体场效应晶体管的有源钳。在这个电源提示中,我将讨论同步整流器的高开关频率的MOSIFT夹紧电路的设计。

传统的有源钳位

全桥(psfb)图 图1 是在高低压直流/直流应用中很受欢迎的拓扑结构,因为它可以实现开关的软开关,以提高转换器的效率。但是,您仍然可以看到同步整流器的高压应力,因为它的寄生电容共振变压器泄漏电感。整流器的电压应力可能高达方程1:

Vds_max = 2VIN x (Ns/Np) (1)

当NP和NS分别是变压器的主绕组和二次绕组时。

考虑到高低压直流/直流转换器的功率水平和电阻-电容-二极管缓冲器的功率损失,设计者经常使用有源卡环电路同步整流器MOSIFT。图1显示了典型电路。

图1 传统的PsFB同步整流器有源钳位电路。

在这个示意图中,你可以看到P通道金属氧化物半导体(PMO)Q9和缓冲电容器,它们是主动钳位电路的主要部分。缓冲电容器的一个端子连接到输出节流器,而PMO的来源连接到地面。在传统的有源钳电路中,同步整流器MOSFETQ5和Q7具有相同的方案;Q6和Q8也是如此。当同步整流器MOSIFT关闭后,PMO将在适当的延迟时间内打开。

图2 给出了psfb的控制方案和有源钳位.你很容易就会发现PMO的开关频率是F的两倍。 元素 .

图2 动态夹位控制方案Q9中的开关频率对F的影响 元素 .

主动钳位损失评估

您可以使用方程2,方程3,方程4,方程5,和方程6来评估活性钳位PMO的损失。除P外 一态 ,所有其他损失与F成正比 元素 .当PMO的开关频率增加一倍时,损耗增加一倍,所以您需要解决PMO的热问题。当推动F的时候更糟糕的是 元素 以满足小型化的需求。

Pon_state = Irms2 x Rdson (2)

Pturn_on = 0.5 x Vds x Ion x ton x fsw (3)

Pturn_off = 0.5 x Vds x Ioff x toff x fsw (4)

Pdrive = Vdrv x Qg x fsw (5)

Pdiode = Isnubber x Vsd x td x fsw (6)

拟议的有源钳位

你能做什么?选择性能较好的PMO还是选择电导系数较高的热润滑脂?两者都是可以的,但是请记住,由主动钳位引起的热问题仍然集中在一部分,使问题难以解决。我们能把热分解成几个部分吗?一种可行的方法是使用两个有源钳位电路,并将缓冲电容器的端子连接到第二段的开关节点,作为 图3 显示。然后,你只能在第五季和第七季之后打开第11季,而在第六季和第八季之后打开第10季。 图4 介绍了PSFB的控制方案和所提出的有源钳.

图3 建议的PsFB同步整流器有源钳位电路。

图4 psfb控制方案及主动钳的设计。

当Q5和Q7关闭时,Q6和Q8仍然开着。因此,您可以定位Q5和Q7的卡环,如图3的绿色箭头所示。Q10和Q11的开关频率均为F 元素 ,不是加倍的 元素 .

因此,根据方程2,方程3,方程4,方程5,方程6,p 一态 每一个私人投资组织将有四分之一的原件, 转动_on ,p 关闭的 ,p 开车, 和P 偶极管 会是原作的一半。显然,该方法将钳位电路的损耗分为两部分,甚至更少,从而更容易处理热问题。

让我们回到夹环。q5的环路比Q7要大;它类似于Q6和Q8。您需要注意同步整流器的布局,以获得一个最小的卡环Q5和Q6。

拟议主动钳位性能

图5 和 图6 显示，它使用的是在200KKZ开关频率下工作的主动钳位电路。图5显示整流器的电压应力。

图5 以C1为V值的整流器的电压应力 通用汽车公司 在整流器中,CH2是V 数据交换系统 整流器中,CH3是主变压器绕组的电压,CH4是主变压器绕组的电流。

C1是V 通用汽车公司 在整流器中,CH2是V 数据交换系统 整流器中,CH3是主变压器绕组的电压,甲烷是主变压器绕组的电流。整流器的最大电压应力在400V时低于45V。 在…中 , 13.5 V 在外面 , 250-A I 在外面 .在400伏时,有源钳位电路的最高温度为46.6℃ 在…中 , 13.5 V 在外面 , 180-A I 在外面 [2],如图6所示。因此,所提出的控制方案对夹持MOSFET具有很好的热性能。

图6 400V时有源钳位电路最大温度为46.6℃的有源钳位电路的热性能 在…中 , 13.5 V 在外面 , 180-A I 在外面 .

开关频率500KZ活性钳位无热问题

当将开关频率从200 kHz提升到500 kHz时，变压器的体积将缩小约45% ，这将有助于提高高压到低压直流/直流转换器的功率密度。使用所提出的方法，BOM成本将略有增加，但设计者可以在500khz开关频率下运行主动钳位，没有热问题，从而提高性能。考虑到PMOS的脉冲漏电流远小于NMOS，设计者还可以在隔离驱动器和偏置电源。