交流/直流和隔离式直流/直流开关稳压器

3.1 基于氮化镓和硅管的有源嵌位反激变换器的比较(一)

Loading the player...

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