交流/直流和隔离式直流/直流开关稳压器

3.5 基于氮化镓和硅管的有源嵌位反激变换器的比较(五)

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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