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离线和隔离式DC / DC控制器和转换器

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3.1 基于氮化镓和硅管的有源嵌位反激变换器的比较(一)

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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 第一章 今天的主要内容是 介绍从 DCM 反激以及临界模式反激 到有源钳位反激的拓扑的演化过程 大家好 我是德州仪器系统工程师 David 今天很高兴和大家一块分享 基于氮化镓和硅 FET 的有源钳位反激拓扑的对比 这是今天的主要内容 首先介绍有源钳位反激拓扑的工作原理 其次器件的结电容的非线性 对拓扑工作的影响以及解决方案 接着介绍有源钳位反激拓扑的 分析方法和设计要点 最后针对以上内容总结 下面这张表格显示了三个不同拓扑 设计的 65W 的笔记本适配器的技术对比 首先是传统的无源钳位的反激 这里定义为 PCF 另外一种是有源钳位反激 这里定义为 ACF 这里定义为 ACF 最后一种是三电平 LLC 谐振拓扑 当频率超过 130kHz 时 ACF 和三电平 LLC 都可以实现软开关 减小开关损耗 当工作在高频时像无源器件 变压器 输出电容 都可以减小获得来较高的功率密度 这两种拓扑在市面上的产品应用显示 能高达 15W 每立方英寸 远高于 PCF 的 11W 每立方英寸 PCF 包括钳位的二极管和 TVS 管 ACF 有一个高压的 MOS 管串联一个钳位电容 因此从 PCF 到 ACF 的主要变化 是增加了一个 MOS 管 以及额外的高压 MOS 管驱动 另外从 PCF 到三电平 LLC 的主要变化 是需要三个原边的开关以及高边的驱动 这会增加非常多的成本 右边这张图比较了在通用范围的 AC 输入下 三种拓扑相同的 65W 设计的效率对比 可以看到 ACF 和 PCF 有两个点的效率提高 但是也可以看到三电平的 LLC 比 ACF 的效率高的更多 但是三电平的 LLC 很难应用在对成本非常敏感的适配器的场合 下面我们来看传统反激的 不适合高频应用的限制因素 不适合高频应用的限制因素 左下角这张图显示了传统反激的工作波形 当下管关断时有非常高的 di/dt 通过变压器的漏感 这将会在主 MOS 管上产生非常高的电压尖峰 所以为了限制电压尖峰 漏感能量需要能被消耗在无源器件上 从损耗的公式可以看到 TVS 的钳位电压越接近 输出电压的反射电压损耗越大 而且损耗和开关频率成正比关系 这也就成为传统反激拓扑 高频化限制的一个因素 另外当励磁电流减小到零时 主 MOS 管的结电容和励磁电感 呈衰减的振荡 因为主 MOS 管在下个周期开通时 有很高的电压 也就产生了开关损耗 同样开关损耗也和开关频率成正比的关系 这是限制传统反激拓扑高频化的另外一个因素 右面这张图显示了一个 30W 适配器 钳位损耗和开关损耗的占的比重 可以看出当开关频率为 100kHz 时 两个损耗基本都占百分之二 而当开关频率增加到 300kHz 时 两个损耗占比超过百分之五 所以为了减小 DCM 模式下的开关损耗 临界模式得以广泛的应用 临界模式的主 MOS 管在第一个谷底开通 相比 DCM 模式开关损耗降低了 另外变压器的铁损和铜损也降低了 当工作频率一样 临界模式的电流会比较小 也就导致较小的磁通损耗 较小的铁损 临界模式的电流较小 因此交流损耗也小 所以临界模式的铁损和铜损同时降低 但是临界模式的缺点是 当较高的交流输入电压时 主 MOS 管的开通电压不为零 所以仍然有开关损耗 而且漏感的能量也没有办法消除 为了完全消除开关损耗和钳位损耗 有源钳位反激拓扑提出 这种拓扑包含高边的 MOS 管和钳位电容 在励磁电感去磁的时间内 钳位电容和漏感谐振 把漏感能量传递到输出 所以钳位损耗能消除 如果在下管开通时 励磁电感的负电流 能把开关节点的电压放电为零 这样开关损耗也能消除 尽管钳位损耗和开关损耗消除了 但是由于额外的负电流 也就意味着较高的铁损 如果开关节点的电容非常大 由可能较大的负电流 带来的相关的铜损和铁损增加 并不能使有源钳位反激的效率 并不能使有源钳位反激的效率 相比传统的反激效率提高 谢谢大家

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

第一章

今天的主要内容是

介绍从 DCM 反激以及临界模式反激

到有源钳位反激的拓扑的演化过程

大家好 我是德州仪器系统工程师 David

今天很高兴和大家一块分享

基于氮化镓和硅 FET 的有源钳位反激拓扑的对比

这是今天的主要内容

首先介绍有源钳位反激拓扑的工作原理

其次器件的结电容的非线性

对拓扑工作的影响以及解决方案

接着介绍有源钳位反激拓扑的

分析方法和设计要点

最后针对以上内容总结

下面这张表格显示了三个不同拓扑

设计的 65W 的笔记本适配器的技术对比

首先是传统的无源钳位的反激

这里定义为 PCF

另外一种是有源钳位反激

这里定义为 ACF

这里定义为 ACF

最后一种是三电平 LLC 谐振拓扑

当频率超过 130kHz 时

ACF 和三电平 LLC

都可以实现软开关 减小开关损耗

当工作在高频时像无源器件 变压器 输出电容

都可以减小获得来较高的功率密度

这两种拓扑在市面上的产品应用显示

能高达 15W 每立方英寸

远高于 PCF 的 11W 每立方英寸

PCF 包括钳位的二极管和 TVS 管

ACF 有一个高压的 MOS 管串联一个钳位电容

因此从 PCF 到 ACF 的主要变化

是增加了一个 MOS 管

以及额外的高压 MOS 管驱动

另外从 PCF 到三电平 LLC 的主要变化

是需要三个原边的开关以及高边的驱动

这会增加非常多的成本

右边这张图比较了在通用范围的 AC 输入下

三种拓扑相同的 65W 设计的效率对比

可以看到 ACF 和 PCF 有两个点的效率提高

但是也可以看到三电平的 LLC

比 ACF 的效率高的更多

但是三电平的 LLC

很难应用在对成本非常敏感的适配器的场合

下面我们来看传统反激的

不适合高频应用的限制因素

不适合高频应用的限制因素

左下角这张图显示了传统反激的工作波形

当下管关断时有非常高的 di/dt

通过变压器的漏感

这将会在主 MOS 管上产生非常高的电压尖峰

所以为了限制电压尖峰

漏感能量需要能被消耗在无源器件上

从损耗的公式可以看到

TVS 的钳位电压越接近

输出电压的反射电压损耗越大

而且损耗和开关频率成正比关系

这也就成为传统反激拓扑

高频化限制的一个因素

另外当励磁电流减小到零时

主 MOS 管的结电容和励磁电感

呈衰减的振荡

因为主 MOS 管在下个周期开通时

有很高的电压

也就产生了开关损耗

同样开关损耗也和开关频率成正比的关系

这是限制传统反激拓扑高频化的另外一个因素

右面这张图显示了一个 30W 适配器

钳位损耗和开关损耗的占的比重

可以看出当开关频率为 100kHz 时

两个损耗基本都占百分之二

而当开关频率增加到 300kHz 时

两个损耗占比超过百分之五

所以为了减小 DCM 模式下的开关损耗

临界模式得以广泛的应用

临界模式的主 MOS 管在第一个谷底开通

相比 DCM 模式开关损耗降低了

另外变压器的铁损和铜损也降低了

当工作频率一样

临界模式的电流会比较小

也就导致较小的磁通损耗 较小的铁损

临界模式的电流较小 因此交流损耗也小

所以临界模式的铁损和铜损同时降低

但是临界模式的缺点是

当较高的交流输入电压时

主 MOS 管的开通电压不为零

所以仍然有开关损耗

而且漏感的能量也没有办法消除

为了完全消除开关损耗和钳位损耗

有源钳位反激拓扑提出

这种拓扑包含高边的 MOS 管和钳位电容

在励磁电感去磁的时间内

钳位电容和漏感谐振

把漏感能量传递到输出

所以钳位损耗能消除

如果在下管开通时

励磁电感的负电流

能把开关节点的电压放电为零

这样开关损耗也能消除

尽管钳位损耗和开关损耗消除了

但是由于额外的负电流

也就意味着较高的铁损

如果开关节点的电容非常大

由可能较大的负电流

带来的相关的铜损和铁损增加

并不能使有源钳位反激的效率

并不能使有源钳位反激的效率

相比传统的反激效率提高

谢谢大家

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视频简介

3.1 基于氮化镓和硅管的有源嵌位反激变换器的比较(一)

所属课程:2018 PSDS研讨会系列视频 发布时间:2018.04.11 视频集数:34 本节视频时长:00:06:09
本次研讨会重点探讨了谐振变换器拓扑综述、同步整流的控制及其挑战、基于氮化镓和硅管的有源嵌位反激变换器的比较、D类音频功放的电源解决方案、直流转换器常见错误及解决方案、关于测量电源环路增益的注意事项等问题。

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