| 圖2 有源箝位變換器 |
三、有源箝位變換器
如圖2所示,有源箝位拓撲結構是正激變換器的延伸。但是,增加了開關M4、電容Cclamp和相應的控制電路(如NCP1560 IC),這樣使電路又具有了諸多新的優勢。為了理解這些優勢,現在詳細介紹一下變換器是如何工作的。變換器的主要工作原理與正激變換器相似,也就是說,當開關M1打開時,功率從輸入向輸出傳輸。在M1關閉時,輸出電感向輸出提供能量,其功率轉換方程為
Vout=Vin×D/N (1)
其中：D為占空比,N為變壓器匝數比。有源箝位變換器在工作中的主要特點是：當開關M1關閉時,開關M4打開(經過一段可調的延遲后),并且在M1的整個關閉階段中保持打開。在穩態中,電容Cclamp上的電壓 (Vcl)髡餃縵路匠痰乃劍?Vin×D=(Vcl－Vin)×(1－D) (2)
如方程(2)所示,Vcl 電壓提供了變壓器繞組的復位,且不需要復位繞組。由于不同于傳統正激變換器的復位電壓即為輸入電壓(假設初級和復位繞組之間的比是1:1),在這種情況下,復位電壓和復位間隔都與工作條件相匹配。換句話說,在主開關M1的整個關閉階段都可以獲得復位電壓。當輸入電壓Vin低而占空比D高時,復位電壓趨向于高,而在輸入電壓Vin高時,情況正好相反。因此,當Vin改變時,Vcl 電壓(即Vin+復位電壓)變化不會太大。從圖2中也可以發現,當 M1關閉時,箝位電路(M4和Cclamp)會將M1上的電壓鉗制為Vcl。因此,M1上的電壓在線路電壓變化中保持相對穩定。這與正激變換器正好相反, 在正激變換器中M1上的電壓等于2Vin。
此外,在正激變換器的情況下,最大占空比Dmax不再限于50%。理論上,對于任何非100%占空比,箝位電壓均可以調整以提供足夠的復位電壓。圖3給出了最大占空比和匝數比選擇,從圖中可以看出,高占空比和箝位電壓之間有清楚的權衡。高占空比使匝數比(N)可以更高,從而導致較小的初級電流和較低的次級電壓。然而,當占空比太高時,Vcl(和M1上的電壓)也會變高。對于每種引用,Dmax和匝數比的選擇由系統要求決定。在某些情況下,可能需要較高的初級電壓,以便減小輸出整流器上的電壓額定值,而在其他一些情況下,限制初級電壓則可能更為重要。
有源箝位電路給系統帶來了一些新的優點。
增加了有源箝位電路也使得變壓器中的磁化電流可以在兩個方向上流動。這樣,變壓器核心得到了更好的利用(第一和第三象限是相等旋轉的)。這使得在頻率和總通量擺幅相同的情況下,核心損失較低。這種特性使有源箝位電路與雙端拓撲結構(如橋式和推拉結構)相似,但依然使用一個電源開關。
最后,有源箝位電路最重要的優點之一是能夠使用泄漏電感能量,并能夠實現初級開關軟打開。通過調整關閉一個初級開關(M1或M4)和打開另一個開關(M4或M1)之間的定時,漏級電壓可以在開關打開之前諧振到低值。這樣不僅減少了打開損耗,還減少了電路中的振鈴和EMI。
四、功率級的設計考慮
為優化有源箝位電路的設計,功率和控制級的元件選擇非常重要。對于功率級而言,應謹慎地選擇和設計變壓器、初級開關、箝位電容和次級開關。
如前一節所示,功率級的設計從選擇變壓器匝數比和最大占空比開始。在大電流 DC-DC變換器中,應該盡力減小變壓器次級匝數(理想情況為1)。這樣不但能防止銅損耗,而且也使變壓器便于構造。次級匝數為1時,初級匝數等于匝數比N,注意, 匝數必須是整數。如果開始計算時未假設一個整數N,則要求重新計算Dmax和Vds電壓,而N等于初始選擇以下最大的整數。由于有源箝位變換器利用變壓器磁化和泄漏能量來實現軟開關,因此允許核心中有間隔,并且有意識的減少磁化電感是有意義的。
電源開關根據最大電壓額定值和電流要求進行選擇。如前文中所述,M1和M4上的峰值電壓相等。除了穩態電壓以外,Vds具有低頻紋波,由變壓器磁化電流和箝位電容Cclamp的值確定。M1中的峰值電流等于輸出電流除以匝數比,其RMS值為Ipk×D0.5。M4中的電流是M1關閉階段中的磁化電流,通常要小得多。因此,M4 Rds-on可以比M1 Rds-on高得多。如圖4所示,M4 是一個p-溝道MOSFET,如果它連接到Vin而不是連接到地,也可以選擇n-溝道。但是,n-溝道M4要求浮動驅動信號。
| 圖5 NEP1560框圖 |
箝位電容值也涉及到保持Vds低紋波以及更好地瞬態響應線路電壓變化之間的權衡。低Cclamp值增加紋波,但是在輸入電壓改變時,允許復位電壓更快達到穩態。建議Cclamp的選擇使Vds上得到大約10%的紋波。 任何更高的電容值會導致變壓器瞬態飽和。
通常選擇次級開關以使導通損耗最小,而且應該選擇最低可用的Rds-on值。這些開關上的電壓額定值通常必須足夠低(M3上的Vin/N以及M2上的Vreset/N),以便使用溝道或等效的技術MOSFETs。
五、控制的設計考慮
如上所述,與傳統的正激變換器相比,使用有源箝位的正激變換器擁有明顯的優勢。但是,這種變換器要求為有源箝位開關提供額外的控制信號和緊湊的最大占空比控制。針對有源箝位拓撲結構的獨特要求,安森美半導體開發了NCP1560電壓模式控制器。此控制器包含了其他傳統PWM控制器中所沒有的廣泛特性,實現了高度集成化。這使NCP1560所需要配置的外接元件達到最少。實際上,它的大多數特性通過單個電阻或電容進行設置
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