优化效率：探索有源钳位正激转换器的二次整流电路设计和占空比的作用

摘要

有源钳位正激转换器利用P通道MOS进行钳位，是公认的高效率电源拓扑。该设计支持将储存的电感能量反馈到电网，从而提高整体转换器效率。为了进一步提高效率，该设计还集成了基于MOSFET的二次自整流电路。本文探讨了二次整流电路面临的设计难题，强调了优化占空比的重要性。值得注意的是，有源钳位正激转换器中采用了广泛的电源技术，本文仅介绍了其中一种。

简介

对于有源钳位正激转换器(ACFC)，占空比是一个关键参数，会影响输出电压和效率。通常，正激转换器的最大占空比以50%为限。采用有源钳位技术，占空比可以高于50%，超越传统设计的限制。有许多文章都说明了最大占空比与ACFC拓扑之间的关系，但讨论如何设计最小占空比的文章并不多。

本文以隔离式ACFC电源为例，阐述最小占空比对设计的影响。该转换器用于将输入24 VAC或48 ~ 60 VDC，转化为15VDC，1.5 A输出。其隔离特性使其适合为现场工业应用供电。ACFC拓扑帮助实现了高达91%的峰值效率。设计要求如表1所示。

表1.设计要求

ADI公司的MAX17598是有源钳位电流模式PWM控制器，其中包含隔离正激转换器电源设计所需的所有控制电路。本文深入探讨了二次自整流电路设计的考虑因素和评估结果。

二次自整流电路的设计考虑

ACFC通过使用自整流电路，实现了更高的效率。图1为基于MOSFET的典型自整流电路原理图。与传统的二极管整流电路相比，MOSFET的导通电阻更低，所以其电路效率更高，尤其是在低电压、大电流输出的情况下。

图1.通用输出自整流电路1

然而，当输出电压接近或超过MOSFET栅极电压工作范围时，这个设计就不合适了。我们可以通过附加电路来产生这些MOSFET的栅极驱动电压。图2为该电路的细节信息。G1和G2连接到变压器的辅助绕组。

栅极1连接到N2的栅极(如图1所示)，栅极2连接到N1的栅极。栅极1和栅极2与开关周期同步。当栅极1输出高电平时，栅极2输出低电平，反之亦然。完整电路如图3所示。

图2.辅助绕组变压器中的栅极驱动电路

图3.性能测试使用的示例电路

该环路必须确保输出处于MOSFET VGS的工作范围内。公式1反映了栅极驱动电压与匝数比之间的关系。

KGATE为变压器比率。NG为变压器绕组的匝数。NP为变压器初级绕组的匝数。VGATE_MAX为MOSFET栅极驱动电压的最大电压。VDC_MAX为直流输入电压的最大电压。

当初级环路的主开关闭合时，施加于变压器的电压为正，即VDC。因此，栅极1的输出为高电平，栅极2的输出为GND。它与匝数比和直流输入电压有关。

当主MOSFET关断时，钳位电路将漏极电压限制为VCLAMP。VCLAMP高于VDC，因此栅极1的输出为GND，而栅极2的输出为高电平。

钳位电压可通过下式计算：

栅极2的电压与匝数比以及VCLAMP和VDCINPUT之间的差距有关。

占空比会随输入电压而变化，因此必须确保栅极的驱动电压能够以完整的VIN范围驱动MOSFET。应用最大直流输入和最小导通率时，栅极驱动电压将达到最小值。

在设计示例中，栅极2最低电压可依照式5进行计算。当输入直流电压达到最大值时，栅极2上的电压只有4.23 V。

如果该电压低于VGS导通阈值，则二次整流电路的MOSFET将无法准确工作。这可能导致当输入电压接近最大值时，电源在没有任何负载的情况下无法启动。在示例电路中，VGS阈值电压为3 V，小于计算出的最小VGATE2。

图4为示例电路的测量结果。CH1为栅极1的电压。CH2为栅极2的电压。CH4为主面N-MOS的源漏电压。

图4.栅极1和栅极2电压以及MOSFET漏极电压(VIN = 60 V)

示例电路的性能

为了验证栅极驱动电路计算的准确性，我们对示例电路进行了性能测试。图5为不同负载电流(0A、0.5A、1A、1.5A)下的输入和输出电压。

图5.不同负载下的输入和输出电压

图6显示了输出电压水平如何随输出电流不同而变化。不同的线表示不同的输入电压。

图6.输出电流和输出电压

图7为不同输入电压和负载下的峰值效率。当输入为36 V、输出为1.5 A时，峰值效率达到91%。

图7.峰值效率

波特图显示了峰值效率工作条件下的环路稳定性，即VDCINPUT = 36 V、IOUTPUT = 1.5 A。

图8显示了环路响应。

图8.波特图

图9和图10显示了输出峰峰值电压。图9是无负载电流的情况，图10是满负载的情况。

图9.空载时输出峰峰值电压

图10.满负载1.5 A时输出峰峰值电压

图11和12显示了负载瞬态响应。图11为负载从零变为满负载。图12为负载从满负载变为零。CH1测量的是输出电压(交流耦合)。CH2测量的是输出负载电流。

图11.瞬态响应(0 A至1.5 A)

图12.瞬态响应(1.5 A至0 A)

结论

综上所述，对ACFC的研究让我们对其性能和效率有了重要认识。通过分析二次整流电路的设计以及占空比的影响，我们发现，当需要额外的辅助栅极驱动电路时，最小占空比会受到限制。

此外，ACFC凭借其出色的能量回收特性，成为了有前景的高效电源系统解决方案。通过本文可知，占空比存在一个最佳范围。也就是说，最大占空比和最小占空比对于基于MOSFET的整流电路都很重要。

将本研究的成果应用于设计和实施ACFC，有助于避免设计阶段出现问题。

参考文献

1 “利用峰值电流模式控制器设计有源钳位正激转换器”。ADI公司，2014年8月。