有源鉗位反激轉換器如何比傳統(tǒng)QRF運行得更快

出于多種原因，準諧振反激 (QRF) 電源轉換器在 150W 或更低輸出功率范圍內的低功率離線應用中是一種流行的選擇。QRF 轉換器的元件數量很少，這意味著成本較低的材料清單。當在轉換器的輸出上使用同步整流器時，該拓撲可以將系統(tǒng)效率提高到 90% 至 91%。

為了管理傳統(tǒng) QRF 中的熱量和功耗，工程師將其設計的最大開關頻率 (f sw ) 限制在 100 kHz 以下。唯一的問題是消費者希望他們的適配器比現(xiàn)在更小。為了實現(xiàn)這一點，它需要能夠以至少比目前使用的 QRF 高 2 到 3 倍的開關頻率運行離線反激式轉換器，以減小磁性尺寸。在本文中，我們將討論在這些應用中使用有源鉗位反激 (ACF) 轉換器如何能夠比傳統(tǒng) QRF 運行得更快、溫度更低，從而能夠減小離線反激應用中的磁性尺寸并使整體電源更小。

QRF 開關損耗隨頻率增加

QRF 轉換器是一種非常高效的電源轉換器，因為它具有谷底開關的能力，與傳統(tǒng)的硬開關反激轉換器相比，它具有更低的開關損耗。然而，QRF 確實具有隨開關頻率而增加的開關損耗 (Q 1 )，尤其是在高輸入電壓下。

等式 1 表示 QRF 開關節(jié)點 (V SW ) 開關損耗 (P SW(QRF) )，其中 N P /N S 是反激式轉換器的變壓器匝數比 (T 1，圖 1 )。變量 C SW 是反激式轉換器的開關節(jié)點 (V SW ) 電容。從這個方程可以看出，P SW(QRF) 將增加 f SW。

圖 1：顯示 RCD、二極管和有源鉗位的離線反激式轉換器。

無源鉗位損耗隨開關頻率增加

傳統(tǒng) QRF 轉換器的另一個問題是，它傳統(tǒng)上使用二極管鉗位或電阻電容二極管 (RCD) 鉗位來提供電流路徑，以使變壓器 (T 1 ) 初級漏感 (L LK ) 斷電并保護轉換器的主電源。開關 (Q 1 ) 免受電氣過應力和損壞。不幸的是，這些無源鉗位不是免費的，它們會消耗隨開關頻率 (f SW ) 增加的功率 (P CLAMP )。

查看公式 2 如何計算反激無源鉗位功耗 (P CLAMP )。在這個等式中，V CLAMP是 Q 1關閉 時鉗位兩端的電壓 ，而 I P 是變壓器的峰值初級電流。與開關節(jié)點損耗類似，鉗位損耗也隨著 f SW增加。

帶有無源鉗位的 QRF 中的 P CLAMP 和 P SW(QRF) 損耗對高頻設計不利。如果您試圖通過在更高的開關頻率下運行設計來減小電源轉換器的磁性尺寸，您將不得不增加 Q 1的散熱器尺寸，從而損害設計的功率密度。增加的損耗會損害系統(tǒng)效率，并且需要為主開關和無源鉗位使用更高額定功率和更昂貴的組件。這阻礙了大多數設計人員設計超過 100 kHz 的 QRF 轉換器。

ACF 回收鉗位能量

圖 1中的有源鉗位 由鉗位開關 (Q C ) 和鉗位電容器 (C C ) 組成，可替代 RCD 或二極管鉗位。這為變壓器 T 1的漏感 (L LK ) 的放電和存儲提供了空間，從而保護了 Q 1 免受電氣過應力的影響。由于 Q C 允許雙向鉗位電流 (I C )，泄漏能量可以通過反激轉換器的變壓器初級與次級匝數比 (N P /N S) 每個開關周期，使有源鉗位接近無損耗，是 200kHz 或更高頻率范圍內的更高頻率設計的更好選擇。

ACF 可實現(xiàn)零電壓開關

市場上有一些脈寬調制器 (PWM) 控制器設計用于有源鉗位功率轉換器，該轉換器具有兩個驅動輸出用于 Q C 和 Q 1。然后，電源設計人員可以通過延遲鉗位開關的關閉來利用雙向電流。該延遲允許初級勵磁電感 (L PM ) 反向充電，并產生足夠大的負峰值初級電流 (–IP) 與開關節(jié)點電容 (C SW ) 諧振，從而實現(xiàn)零電壓開關 ( ZVS)。

該延遲確實需要調整開關 Q 1的關斷延遲，讓電源轉換器有時間實現(xiàn) ZVS。這將需要在實驗室中進行一些工作，但消除開關損耗是非常值得的。

為了實現(xiàn) ZVS，L PM 中的能量需要等于 C SW中的能量。這種關系如公式 3 所示：

計算實現(xiàn) ZVS 所需的負電流量可以通過從公式 3 中代數求解 I P 得出，得到公式 4：

為了簡化設計過程，德州儀器開發(fā)了 UCC28780 有源反激式控制器。UCC28780 監(jiān)控開關節(jié)點并將調整 Q C 關斷延遲和 Q 1 開啟延遲以實現(xiàn) ZVS?？刂破鞒掷m(xù)監(jiān)控開關節(jié)點，并將在幾個開關周期內調整延遲，以確保在線路電壓和/或電源轉換器負載發(fā)生變化時設計仍能實現(xiàn) ZVS。這應該會縮短有源鉗位反激式轉換器的設計周期，從而進一步降低開發(fā)成本。

圖 2 顯示了 QRF 和 ACF 開關節(jié)點開關和變壓器初級電流之間的圖形比較。此波形中有注釋說明了為什么 ACF 比傳統(tǒng)的 QRF 反激式更有效。

圖 2：ACF ZVS 和有源鉗位與 QRF 和無源鉗位。

總結

如果設計正確，ACF 控制器不僅可以回收變壓器泄漏能量以消除開關節(jié)點鉗位損耗，還可以實現(xiàn) ZVS，消除初級開關損耗。這使設計人員能夠將反激式電源轉換器的開關頻率從 100 kHz 推至 200 kHz 或更高，而無需增加額外的散熱裝置，與使用無源鉗位的 QRF 相比，這使他們能夠減小設計的磁性尺寸并提高功率密度。

審核編輯：湯梓紅