交流/直流和隔离式直流/直流开关稳压器

3.2 基于氮化镓和硅管的有源嵌位反激变换器的比较(二)

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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二章今天的主要内容是介绍有源钳位反激的工作原理那么我们首先来看有源钳位反激的工作原理这张图把有源钳位反激工作分为七个区域在第一个区域里下管开通所以输入电容的电压连到变压器的励磁电感两端励磁电流线性增加储存能量在第二个区域里上管和下管都处在关断状态励磁电流给下管的结电容充电给上管的结电容以及副边同步整流的结电容放电因此直到开关节点的电压上升到一个高电压之前可以看到下管的电流下降而钳位电流和同步整流的电流增加而钳位电流和同步整流的电流增加在第三个区域里高边的驱动信号还没有出现所以励磁电流首先通过高边的二极管给钳位电容充电在第四个区域里高边的管子开通输出电压的反射电压开始给励磁电感去磁所以励磁电流减小励磁电感释放能量到输出同时钳位电容和漏感谐振吸收能量钳位电流为正向在第五个区域里钳位电流反向而且副边同步整流变高在第五个区域里钳位电流为反向而且副边同步整流电流变高说明励磁能量和漏感能量一起传递到输出在第六个区域里谐振完成副边二极管自然关断所以输出电压不再给励磁电感去磁这个时候因为上管仍然开通钳位电容继续给励磁电感去磁所以在上管关断前励磁电流保持反向最后一个区域在上管关断后负向电流开始给下管的结电容放电同时给上管的结电容充电所以开关节点的电压从高电平降到零最后继续返回第一个区域下管在接近零伏电压开通实现零电压开通从能量的角度看 ZVS 的条件是这个公式由器件的特性知道由器件的特性知道氮化镓比硅管的结电容小得多例如 RDS（ON）大约在五六百毫欧时氮化镓的结电容比硅管的结电容小三倍因为这样所以氮化镓的 ACF 有较小的峰峰值磁芯损耗较小的有效值电流较低的绕组和上管的通态损耗左图显示了副边用二极管整流原边分别是氮化镓和硅管结果显示峰峰值和有效值减小了 22% 这种结果表现出来不仅仅是因为结电容的幅值而且是因为结电容的非线性例如右图所示对于氮化镓 VDS 在 20V 到 400V 时结电容变化不大当 RDS（ON）减小对于硅管 VDS 小于 20V 的结电容是 400V 结电容的 100 倍另外随着 RDS（ON）减小 20V 的结电容是 400V 结电容的 300 倍因此如何理解结电容非线性影响以及如何减小这种影响变得非常重要当开关节点的电压被负电流放电从高到低较小时由结电容的非线性对开关节点的电压下降的斜率有很大的影响从右图中可以看到氮化镓的结电容非线性较小所以下降的斜率接近线性而对于硅管的下降斜率有两段不同开始和结束斜率比较小中间的斜率比较大上端的平坦区域主要由上管的较大的结电容以及输出整流管的结电容影响下端的区域主要由下管的较高的结电容的影响这种非线性对系统的影响主要有两点首先是硅管需要的死区时间比氮化镓更多这样导致较多的占空比的损失同时也限制了开关频率其次是硅管的有源钳位反激需要更多的负电流来克服这两块结电容较大的区域谢谢大家