如何使用非耗散鉗位提高反激式效率

在反激式轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)形式中，變壓器的漏感會(huì)在初級(jí)場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 的漏極上產(chǎn)生電壓尖峰。為防止此尖峰變得過大和損壞，F(xiàn)ET 需要一個(gè)鉗位網(wǎng)絡(luò)，通常帶有耗散鉗位，如圖1所示。但是耗散鉗位中的功率損失限制了反激式轉(zhuǎn)換器的效率。在這篇電源技巧中，我將研究反激式轉(zhuǎn)換器的兩種不同變體，它們使用非耗散鉗位技術(shù)來回收泄漏能量并提高效率。

在反激式轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)形式中，變壓器的漏感會(huì)在初級(jí)場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 的漏極上產(chǎn)生電壓尖峰。為防止此尖峰變得過大和損壞，F(xiàn)ET 需要一個(gè)鉗位網(wǎng)絡(luò)，通常帶有耗散鉗位，如圖1所示。但是耗散鉗位中的功率損失限制了反激式轉(zhuǎn)換器的效率。在這篇電源技巧中，我將研究反激式轉(zhuǎn)換器的兩種不同變體，它們使用非耗散鉗位技術(shù)來回收泄漏能量并提高效率。

圖 1 大多數(shù)反激式轉(zhuǎn)換器都采用耗散鉗位。

耗散鉗位中的功率損耗與每個(gè)開關(guān)周期的漏電感中存儲(chǔ)的能量有關(guān)。當(dāng) FET 導(dǎo)通時(shí)，變壓器初級(jí)繞組中的電流增加到由控制器確定的峰值電流值。該峰值電流同時(shí)流過初級(jí)磁化電感和漏電感。當(dāng) FET 關(guān)閉時(shí)，磁化能量通過變壓器的次級(jí)繞組傳遞到輸出端。泄漏能量不通過變壓器鐵芯耦合，因此它保留在初級(jí)側(cè)并流入鉗位。

重要的是要了解，不僅泄漏能量在鉗位中消散，而且還消耗了能量。一部分磁化能量也是如此。正如電源技巧 #17中所討論的那樣，將初級(jí)繞組電壓鉗位到遠(yuǎn)高于反射輸出電壓的水平可以限度地減少鉗位中燃燒的磁化能量。

雙開關(guān)反激式是回收泄漏能量的反激式轉(zhuǎn)換器的常見變體。圖 2 是雙開關(guān)反激式的簡(jiǎn)化示意圖。兩個(gè)初級(jí) FET 與它們之間的初級(jí)繞組串聯(lián)連接。這兩個(gè) FET 同時(shí)開啟或關(guān)閉。當(dāng)它們打開時(shí)，初級(jí)繞組連接到輸入端并通電至峰值電流。當(dāng)它們關(guān)閉時(shí)，次級(jí)繞組將磁化能量傳送到輸出端，泄漏能量通過 D1 和 D2 回收回輸入端。通過回收泄漏能量，雙開關(guān)反激式電路比單開關(guān)耗散鉗位電路具有更高的效率。

圖 2雙開關(guān)反激式將泄漏能量回收到輸入端。

兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通的事實(shí)在一定程度上抵消了效率的提高，因此導(dǎo)通損耗往往會(huì)增加，尤其是在低輸入電壓應(yīng)用中。幸運(yùn)的是，兩個(gè) FET 的漏源電壓鉗位到輸入電壓，因此與單開關(guān)反激式相比，您可以使用額定電壓較低的 FET。鉗位電壓應(yīng)力在高輸入電壓應(yīng)用中也有優(yōu)勢(shì)。

效率增益與漏感與磁化電感之比有關(guān)，通常約為 2%?；厥招孤┑哪芰砍颂岣咝手膺€有其他好處。在高功率反激式應(yīng)用（通常大于 75W）中，耗散鉗位中的損耗會(huì)造成熱管理噩夢(mèng)。雙開關(guān)反激式完全消除了這種熱源。

這種更高效率和改進(jìn)的熱性能的權(quán)衡是以成本和復(fù)雜性增加的形式出現(xiàn)的。不僅需要額外的 FET；高端 FET 的隔離驅(qū)動(dòng)器也是如此。此外，需要設(shè)置變壓器匝數(shù)比，使反射輸出電壓小于輸入電壓。否則，輸出電壓將被鉗位，變壓器將無法正確復(fù)位。因此，雙開關(guān)反激式固有地限制在 50% 的占空比。實(shí)際上，反射輸出電壓應(yīng)充分低于輸入電壓，以允許漏感快速復(fù)位。

圖 3 添加到單開關(guān)反激式的簡(jiǎn)單非耗散鉗位。

圖 3中的電路 顯示了另一種回收泄漏能量的方法，但使用的是單開關(guān)反激式。這種非耗散鉗位并不新鮮，但也不廣為人知。然而，它提供了許多與雙開關(guān)反激式相同的好處。

實(shí)現(xiàn)此鉗位需要在變壓器的初級(jí)側(cè)添加一個(gè)鉗位繞組。該繞組的匝數(shù)必須與初級(jí)繞組相同。添加了一個(gè)鉗位電容器，連接到 FET 的漏極。鉗位電容器的另一端通過二極管 D1 鉗位到輸入電壓，并通過二極管 D2 鉗位到鉗位繞組。

鉗位繞組和 D2 將鉗位電容器兩端的電壓限制為等于輸入電壓的值，這在對(duì)初級(jí)回路應(yīng)用基爾霍夫電壓定律時(shí)很明顯，如圖 4所示。請(qǐng)注意，無論極性或幅度如何，兩個(gè)初級(jí)繞組電壓都會(huì)相互抵消。此方法僅在兩個(gè)繞組上使用相同匝數(shù)時(shí)才有效。

圖 4 鉗位電容器電壓受輸入電壓限制。

要了解此鉗位的工作原理，請(qǐng)考慮 FET 關(guān)閉時(shí)會(huì)發(fā)生什么。當(dāng)初級(jí) FET 關(guān)斷時(shí)，漏感中的電流流過鉗位電容器和正向偏置二極管 D1。當(dāng) D1 導(dǎo)通時(shí)，漏電感兩端的電壓等于輸入電壓和反射輸出電壓之間的差值。一旦漏感中的電流降至零，D1 就會(huì)關(guān)閉。傳遞到鉗位電容器的泄漏能量會(huì)暫時(shí)增加鉗位電容器上的電壓，使其略高于輸入電壓。當(dāng) D1 關(guān)閉時(shí)，D2 鉗位器通過變壓器繞組中的耦合有效地將存儲(chǔ)的電荷傳輸?shù)捷敵龆恕?br/>
這種鉗位電路需要的元件更少，而且比雙開關(guān)反激式電路更便宜。就像雙開關(guān)反激式一樣，它可以將效率提高幾個(gè)百分點(diǎn)，并消除與耗散泄漏能量相關(guān)的熱問題。該鉗位電路還將占空比限制為值 50%。代價(jià)是該電路需要一個(gè)更高電壓的 FET，它的額定值必須是輸入電壓的兩倍以上。與雙開關(guān)反激式相比，F(xiàn)ET 漏極上的更高電壓也可能對(duì)電磁干擾提出更多挑戰(zhàn)。

有源鉗位反激式是反激式的另一種形式，它回收泄漏能量，同時(shí)可以提供零電壓開關(guān)。有源鉗位反激式更復(fù)雜，需要專門的控制器，例如 UCC28780，使其值得擁有自己的電源提示，所以我將把討論留到以后再說。下次您設(shè)計(jì)高功率反激式時(shí)，請(qǐng)考慮使用非耗散鉗位來提高效率并保持電源冷卻。