準(zhǔn)諧振反激式電源架構(gòu)及應(yīng)用

低成本和高可靠性是離線電源設(shè)計(jì)中兩個(gè)最重要的目標(biāo)。準(zhǔn)諧振 (Quasi resonant) 設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)人員提供了可行的方法，以實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)。準(zhǔn)諧振技術(shù)降低了MOSFET的開關(guān)損耗，從而提高可靠性。此外，更軟的開關(guān)改善了電源的EMI特性，允許設(shè)計(jì)人員減少使用濾波器的數(shù)目，因而降低成本。本文將描述準(zhǔn)諧振架構(gòu)背后的理論及其實(shí)施，并說明這類反激式電源的使用價(jià)值。

　　基本知識(shí)

　　現(xiàn)有的L-C 儲(chǔ)能電路正戰(zhàn)略性地用于PWM電源中。結(jié)果是L-C 儲(chǔ)能電路的諧振效應(yīng)能夠“軟化”開關(guān)器件的轉(zhuǎn)換。這種更軟的轉(zhuǎn)換將降低開關(guān)損耗及與硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器相關(guān)的EMI。由于諧振電路僅在相當(dāng)于其它傳統(tǒng)方波轉(zhuǎn)換器的開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間才起作用，故而有 “準(zhǔn)諧振”之名。

　　要理解這種設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，必須了解MOSFET和變壓器的寄生特性。MOSFET包含若干個(gè)寄生電容，主要從器件的物理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。它們可以數(shù)學(xué)方式簡化為MOSFET輸入電容CISS和MOSFET輸出電容COSS，這里

　　CISS = CGS + CDG

　　COSS = CDS + CDG

　　在硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器中，輸出電容COSS是開關(guān)損耗的主要來源。

　　圖1 MOSFET輸入和輸出電容

　　圖2 變壓器的寄生電容

　　變壓器也包含了寄生電容(圖2)。這些電容包括繞組間電容和層間電容，它們可以一起轉(zhuǎn)型為單一的電容CW，也是硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器開關(guān)損耗的主要來源。

　　硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器中的寄生電容

　　圖3示出傳統(tǒng)硬開關(guān)反激式轉(zhuǎn)換器。在這種傳統(tǒng)的間斷模式反激式轉(zhuǎn)換器 (DCM) 的停滯時(shí)間期間，寄生電容將與VDC周圍的主要電感發(fā)生振蕩。寄生電容上的電壓會(huì)隨振蕩而變化，但始終具有相當(dāng)大的數(shù)值。當(dāng)下一個(gè)時(shí)鐘周期的MOSFET 導(dǎo)通時(shí)間開始時(shí)，寄生電容 (COSS和CW) 會(huì)通過MOSFET放電，產(chǎn)生很大的電流尖峰。由于這個(gè)電流出現(xiàn)時(shí)MOSFET存在一個(gè)很大的電壓，該電流尖峰因此會(huì)做成開關(guān)損耗。此外，電流尖峰含有大量的諧波含量，從而產(chǎn)生EMI。

　　準(zhǔn)諧振反激式設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

　　如果不用固定的時(shí)鐘來初始化導(dǎo)通時(shí)間，而利用檢測電路來有效地“感測”MOSFET (VDS) 漏源電壓的第一個(gè)最小值或谷值，并僅在這時(shí)啟動(dòng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)間，情況又會(huì)如何?結(jié)果會(huì)是由于寄生電容被充電到最小電壓，導(dǎo)通的電流尖峰將會(huì)最小化。這情況常被稱為谷值開關(guān) (Valley Switching) 或準(zhǔn)諧振開關(guān)。在某些條件下，設(shè)計(jì)人員甚至可能獲得零電壓開關(guān) (ZVS)，即當(dāng)MOSFET被激活時(shí)沒有漏源電壓。在這情況下，由于寄生電容沒有充電，因此電流尖峰不會(huì)出現(xiàn)。這種電源本身是由線路/荷載條件決定的可變頻率系統(tǒng)。換言之，調(diào)節(jié)是通過改變電源的工作頻率來進(jìn)行，不管當(dāng)時(shí)負(fù)載或線路電壓是多少，MOSFET始終保持在谷底的時(shí)候?qū)?。這類型的工作介于連續(xù) (CCM) 和間斷條件模式 (DCM) 之間。因此，以這種模式工作的轉(zhuǎn)換器被稱作在邊界條件模式 (BCM) 下工作。

　　圖3 硬開關(guān)反激式轉(zhuǎn)換器

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