交流/直流和隔离式直流/直流开关稳压器

3.3 基于氮化镓和硅管的有源嵌位反激变换器的比较(三)

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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三章今天的主要内容介绍器件结电容的非线性对有源钳位反激的影响以及解决方案首先研究发现合适的钳位电容选择有助于减小上端平坦区域的影响左边的图是用硅管的有源钳位反激的例子钳位电容为 100 纳法可以看出上管关断时谐振过程已经结束励磁电感的负电流是给上端结电容放电的唯一电流源当钳位电容增大到 600 纳法时上管关断时谐振过程还未结束钳位电容的负电流变成另外一个电流源来给上端结电容放电基于此上端放电的时间会缩短负电流也会减小所以能量判据为下面这个公式另外发现下管的开通电压点有助于减小下端平坦区域的影响下面是硅管结电容的曲线如果零点压开通条件是等到开关点的电压下降为零时开通这就需要比较大的负电流如果在结电容开始增加比较快之前开通下管负电流能在一定程度上减小在这里我们称它为部分零电压开通例如部分零点压的点选在 20V 有大约 11% 的原边有效值电流和峰值电流的减小这样会减小原边绕组的铜损和铁损下面这张图也显示了部分零电压开通有大约 0.5% 个点的效率的提升接下来我们继续对硅管的部分零电压的策略做深入的研究零电压点从 0V 到 60V 总的损耗的减小如下图所示可以看出当零电压点在 20V 时可以获得最小的损耗当超过20V时损耗的减小会越来越小这里可以从有效值的减小和开关损耗的增加的观点来理解随着零电压点的增大有效值电流减小但是下管开通的损耗在增加因为对于硅管当电压大于 10V 时开关损耗上升的速度远远大于有效值电流的减小的速度所以对硅管来讲零电压点选在 10V 到 20V 之间是比较合适而对于氮化镓选择为 0V 开通比较合适开关节点的结电容不仅由原边管子的结电容而且也由副边管子的结电容组成在这张表中对比了不同的副边整流方式的钳位电流的有效值当采用二极管整流时开关电流的波形基本一致不同的是开关电流的有效值和峰值电流当采用同步整流时开关电流的波形极其不同原边采用硅管在谐振开始时有很小的电流跌落有效值电流的减小并不是太多当原边管子为氮化镓时在谐振开始时有非常大的电流跌落这个电流跌落有助于减小有效值的电流可以看到有大约 34% 的减小总结以上实验内容可以看到当原边采用氮化镓而副边采用同步整流MOS管时可以达到最小的有效值的电流的减小下面我们详细介绍这个电流跌落是如何造成的所以原边励磁电流跌落现象可以通过检查漏感上电压的变化来理解这个电压的变化就是副边绕组反射电压和原边绕组上电压的差值下面分硅管和氮化镓分别阐述对于硅管来讲基本上可以忽略的电流跌落现象是因为在电流跌落时同步整流管关断匝比乘以 VSEC 等于同步整流管子漏极电压减去输出电压同样当因为上管关断了 VPRI 等于钳位电容电压减去上管的漏源电压由于原边和副边都是用的硅管 MOS 管的结电容随着漏源电压变化非常明显左下角这张图左下角这张图对比了上管以及同步整流管结电容的非线性结果显示在开关节点电压比较高的区域上管的结电容小于同步整流管的等效结电容在节点电压比较低的区域上管的结电容比同步整流管的等效的结电容大得多所以可以看到当峰值励磁电流放电这两个电容时电容的不同导致不同的 VPRI 和匝比乘以 VSEC 不同的上升斜率在前面的区域 VPRI 上升得比匝比乘以 VSEC 快是因为上管 COSS 的电容比较小在第二个区域 VPRI 上升得慢主要是因为上管的结电容变得非常大上升斜率的不同促使漏感上的电压的极性的不同在第一个区域漏感上电压为负值所以电流减小第二个区域漏感电压为正值所以电流增大这也就解释了为什么在开始的时候有电流的跌落接着就消失了如果不考虑电流跌落的影响初始的谐振值几乎等于峰值励磁电流因此副边同步整流仅仅可以减小副边的一个导通损耗对于氮化镓来讲电流跌落现象非常明显这样减小了初始谐振的钳位电流这是因为在电流跌落时同步整流管关断匝比乘以 VSEC 等于同步整流管子漏极电压减去输出电压这是因为在 VDS 整个范围内氮化镓的结电容始终小于同步整流管的等效的原边的电容因此当峰值电流开始放电原副边电容时 VPRI 上升的斜率始终高于匝比乘以 VSEC 所以在漏感两端的电压始终为负在谐振开始前电流始终减小在这种情况下基于氮化镓的同步整流有源钳位反激不仅仅可以减小副边的通态损耗而且可以减小上管和原边绕组的通态损耗谢谢大家