大家好 我是德州仪器的系统工程师 David 
今天非常高兴和大家一块分享 
基于氮化镓和硅管的有源钳位反激变换器的比较 
第五章 
今天的主要内容介绍 
有源钳位反激功率单元的分析与设计 
以及对全部内容的总结 
让我们继续分析和设计 
基于氮化镓和硅 FET 的功率单元 
在 ACF 中励磁电感是最重要的参数 
因为它直接影响最大功率和开关频率 
描述电流波形的属性公式非常复杂 
因为峰值电流和每一点电流值 
都是按照谐振变化的 
在这里我们首先 
采用三角波近似的方法来建模 
当电流用三角波近似时 
流过下管的电流如下图所示 
这个电流波形的一部分 
是下管开通时励磁电流 
从零到最高点的峰值电流 
然后下管关断时从峰值电流下降为零 
另一部分是从最大的负载电流到零 
因为下管的平均电流是 ACF 的输入电流 
所以输入功率的表达式如上所示 
从这个公式可以看出 
输入功率由峰值电流和负电流决定 
物理意义为负电流是为了实现 ZVS 
峰值电流是为了输出足够的负载功率 
此外开关频率的表达式也显示 
在不同输入电压和负载时也不同 
为了设计功率单元时采用这两个公式 
需要知道另外两个参数 
首先负电流的计算方式 
其次是从负电流增大到零时的时间 
首先看 BUCK 电压小于反射电压 
因为励磁电感和结电容谐振 
足以把开关节点电压谐振为零 
基于右面的波形 
负电流的计算可以由 
公式反射电压除以谐振的阻抗 
此外根据正弦波的波形可知 
Tm- 时间为四分之一的谐振周期 
接着再看当 BUCK 电压大于反射电压时 
接着再看当 BUCK 电压大于反射电压时 
为了得到足够多的负电流 
上管的关断时间 
需要在励磁电流过零之后 
所以电流的初始状态 
是电压开始谐振是从 
谐振周期的四分之一开始 
而不是像低压输入时 
从正弦波的峰值开始 
尽管谐振周期为四分之一谐振周期 
但是开关节点的谐振时间 
仍然为二分之一谐振周期 
为了得到励磁电流和 Tm- 时间信息 
从公式中可以看出 
开关节点电压需要已知 
如何来计算开关节点的结电容呢 
我们先来看它由几部分组成 
CTr 是变压器绕组之间的结电容 
CBOOT 为自举二极管的结电容 
其余的为原边管子和副边管子的结电容 
计算开关节点电压的一个挑战是 
有源器件的结电容的非线性 
红色曲线为 
Super Junction FET 的 COSS 曲线 
这里提出了一个基于时间的 
电容的表达式的计算过程 
这个表达式可以 
计算任意 VDS 电压的 COSS 值 
首先第一步是对零电压开通点电压到 
较宽范围的 VDS 的电压积分 
再按照不同的 VDS 电压逐点进行积分后 
如左图蓝色曲线所示 
通过对蓝色曲线做线性化方便计算 
可以得到红色的线性化的曲线 
基于上面的设计步骤 
由前面的公示可以得出 
具体的励磁电感值 
分别用氮化镓和硅 
设计了两个 30W 的有源钳位反激 
原副边匝比为 3.25 
输出电压是 20V 
设计中原则是保证 
同样的最低开关频率 180kHz 
以及在整流桥后面电容上 
最低的 75V 的电压 
计算结果显示 
硅管的励磁电感是 85uH 
左边这张图也可以看出 
尽管最低开关频率一样 
但是硅管的变换器在高压时 
有较低的开关频率 
这主要因为硅管的变换器的负电流 
和峰值电流比较大 
从中间这张图和右边这张图可以看出 
相比硅管 氮化镓由于具有更低的峰峰值电流 
所以有更低的磁芯损耗和有效值电流 
只要知道开关结电容 
就可以计算变换器的运行状态 
谢谢大家