有源箝位正激變換器的基本原理及應(yīng)用特點研究

對設(shè)計人員來說，有源箝位正激變換器有很多優(yōu)點，現(xiàn)在正得到廣泛應(yīng)用。采用正激結(jié)構(gòu)的電源變換器是高效率、大功率應(yīng)用（50W 至 500 W范圍）的出色選擇。雖然正激結(jié)構(gòu)的普及有各種各樣的原因，但設(shè)計者主要青睞的是它的簡捷、性能和效率。

正激變換器來源于降壓結(jié)構(gòu)。兩者之間的主要區(qū)別是：正激結(jié)構(gòu)變壓器的輸入地和輸出地之間是絕緣的，另外它還有降壓或升壓功能。正激結(jié)構(gòu)中的變壓器不會象在對稱結(jié)構(gòu)（如推挽、半橋和全橋）中那樣，在每個開關(guān)周期內(nèi)進(jìn)行自復(fù)位。正激功率變換器中使用了一些不同的復(fù)位機制，它們各有自己的優(yōu)點和挑戰(zhàn)。對設(shè)計者而言，有源箝位正激變換器具有諸多的優(yōu)點，因此現(xiàn)在這個拓?fù)浔粡V泛應(yīng)用。

圖 1. 降壓與正激結(jié)構(gòu)

Buck：降壓

Forward：正激

圖1 顯示了 降壓 和正激轉(zhuǎn)換器之間的相似之處。注意兩種變換功能的唯一區(qū)別是在正激變換功能中，匝數(shù)比（Ns/Np）這一名詞所包含的內(nèi)容。Ns 和 Np 分別為次級匝數(shù)和初級匝數(shù)，均繞在變壓器磁芯上。圖 2 顯示了一個變壓器模型，其中包括與初級繞組并聯(lián)的“勵磁電感”（Lm）。這個勵磁電感可以在次級繞組開路狀態(tài)下在初級端子處測量。勵磁電感中的電流與磁芯中的磁通密度成正比。確定尺寸的某種磁芯只能支持到某個磁通密度，然后磁芯就會進(jìn)入飽和。當(dāng)磁芯飽和時，電感量會急劇下降。變壓器模型中另外一個部分是與初級繞組串聯(lián)的“漏感”（LL）。漏感可以在次級繞組短路情況下在初級端子處測量。這一名稱表示雜散的初級電感，它不會耦合到次級。

圖 2. 變壓器模型

Primary：初級

Secondary：次級

Ideal Transformer：理想變壓器

有源箝位電路的工作

圖 3a 到 3c 表示了有源箝位正激電源轉(zhuǎn)換器的主要工作步驟。在時刻 t0 時，主功率開關(guān)（Q1）導(dǎo)通，在變壓器初級施加一個 VIN。變壓器次級繞組電壓為 VIN x Ns/Np。此時的初級電流包括兩個部分：來自輸出電感的映射電流（IL x Ns/Np）；以及在激磁電感（Lm）中上升的電流。復(fù)位開關(guān) Q2 關(guān)斷，箝位電容（Cc）已被預(yù)先充電到電壓 VIN/（1-D），這個在后面再作解釋。這段時間為供能階段，能量從初級傳送到次級。供能階段的大致時間為 Ts x VOUT / VIN，其中 Ts 為開關(guān)周期。

圖 3a. 在 t0 時的工作狀態(tài)

圖 3b. 在 t1 時的工作狀態(tài)

圖 3c. 在 t2 時的工作狀態(tài)

在時刻 t1 時，主功率開關(guān)（Q1）關(guān)斷，復(fù)位開關(guān)（Q2）導(dǎo)通。勵磁電流從Q1轉(zhuǎn)移到流過箝位電容和 Q2。由于箝位電容電壓高于 VIN，與供能階段 t0 相比，變壓器初級上的電壓反向。由于激磁電感上的電勢反向，伴隨著勵磁電感中儲存的能量被傳送給箝位電容，勵磁電流也逐漸減小。在此期間，箝位電容上的電壓有輕微的上升，并在勵磁電流到零時達(dá)到它的峰值。

在時刻 t2 時，勵磁電感中的電流降到零，并開始沿相反方向建立電流。電流來源于箝位電容，通過復(fù)位開關(guān)（Q2）和勵磁電感（Lm），再流回電源（VIN）。當(dāng)箝位電容將前面從激磁電感中獲得的能量重新釋放出來時，電流持續(xù)沿相反方向建立起來。穩(wěn)定狀態(tài)需要箝位電容電壓回到起始電位，而復(fù)位時間結(jié)束時的磁化電流幅度要達(dá)到與復(fù)位時間開始電流相同的水平（極性相反）。在 t2 結(jié)束時，由控制器振蕩周期確定的開關(guān)周期結(jié)束。復(fù)位開關(guān)關(guān)斷，從箝位電容流過的電流終止。

圖 4 顯示了幾個主要的電路波形。最上面的波形是調(diào)幅器的斜坡波形以及決定主開關(guān)導(dǎo)通時間的誤差信號波形。中間波形是主開關(guān)的漏極電壓波形，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時為低，當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時上升至箝位電容電勢。下方波形中的紅線表示勵磁電流，它在復(fù)位期間流經(jīng)箝位電容（藍(lán)色波形）。正如期望的那樣，兩個電流在零線取得平衡。

圖 4. 有源箝位的幾個主要波形

控制器斜波與誤差信號 （V）

主開關(guān)漏極電壓（V）

箝位電容與磁化電流（mA）

有源箝位復(fù)位的優(yōu)點

用有源箝位復(fù)位可以減少各種開關(guān)損耗。在柵極驅(qū)動足夠快的情況下，Q1 的關(guān)斷幾乎是無損的。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，Q1 必須在漏極電壓有可能上升時立即關(guān)斷（電流不再流過）。漏極電壓的上升由于漏-源電容而被延遲，良好的柵極驅(qū)動器可以在漏極電壓剛有明顯上升時立即關(guān)斷 Q1。用 MOS 和雙極器件組成的復(fù)合柵極驅(qū)動器，可以產(chǎn)生出很高的柵極峰值放電電流，以確?？焖訇P(guān)斷，降低開關(guān)損耗。同時，通過適當(dāng)選擇開關(guān)延遲可以降低導(dǎo)通損耗，使主開關(guān)起動以前，漏極電壓有下降時間。

為了能有穩(wěn)定的工作狀態(tài)，在整個周期中施加在勵磁電感上的伏秒值必須為零。當(dāng)主開關(guān)導(dǎo)通時，伏秒值為 VIN x D x Ts，其中 D 是導(dǎo)通占空比，Ts 為開關(guān)周期。關(guān)斷周期定義為 （1-D） x Ts。當(dāng)主開關(guān)關(guān)斷時，初級上的電壓為 VC – VIN，其中 VC 是箝位電容電壓。在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，伏秒值必須相等：

VINx D x Ts = （VC – VIN） x （1-D） x Ts

算出箝位電容電壓：

VC = VIN /（1-D）

應(yīng)記住，當(dāng) VIN 增加時，占空比（D）會減小。箝位電容電壓會適應(yīng)變化的電路（VIN）狀況，以保持這一等式成立。這個重要的特性使各種條件下對主開關(guān)的電壓要求降低到最小，因此可以使用較低額定 V（BR）DSS 的器件。較低額定 V（BR）DSS 的 MOSFET 有較小的導(dǎo)通電阻和較低的柵電荷，這樣能夠有更高的轉(zhuǎn)換效率。

儲存在漏感中的能量會進(jìn)行循環(huán)，而不是耗散掉，占空比大于 50% 的可能性降低了對整流管電壓的要求，進(jìn)一步降低了損耗。

評估板

好幾種 DC-DC 轉(zhuǎn)換器演示板都采用了有源箝位復(fù)位技術(shù)，分別采用電壓模式或電流模式進(jìn)行控制。輸入電壓范圍為 36V 至 75V，額定輸出為 3.3V 100W。15A 負(fù)載時測得的峰值效率為 93%。功率變壓器的匝數(shù)比為 6:1。初級繞組為 12 圈，次級繞組為 2 圈。此處還采用了一種平面結(jié)構(gòu)技術(shù)，初級線圈是做在一塊多層電路板上。大電流的次級繞組則做在絕緣的銅沖壓件上。

LM5025、LM5026 和 LM5034 控制器可以直接驅(qū)動 N 溝道功率開關(guān)和一個 P 溝道復(fù)位開關(guān)。每個開關(guān)的內(nèi)部柵極驅(qū)動器大小不同。復(fù)位開關(guān)只通過勵磁電流，可以采用較小的柵極驅(qū)動。主開關(guān)則需要較強的柵極驅(qū)動，以降低開關(guān)損耗。在每個柵極驅(qū)動輸出之間所需的時序延遲可以通過控制器進(jìn)行編程。輸出整流用同步 MOSFET 來實現(xiàn)。有源復(fù)位方法使同步整流易于實現(xiàn)，因為它們是自驅(qū)動的。

總結(jié)

概括而言，有源箝位技術(shù)可以使用較低額定電壓的 MOSFET，簡化自驅(qū)動同步整流的使用。勵磁能量與漏感能量可以回收并饋電給電源。這些優(yōu)點使得設(shè)計人員可以提高電源轉(zhuǎn)換的效率。

責(zé)任編輯：gt