改進(jìn)新型反激式變換器中的同步整流器

反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)憑借其寬工作范圍內(nèi)所具有的簡(jiǎn)單性與穩(wěn)健性，近幾十年來(lái)一直在低功率 AC/DC 應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。而同步整流器 (SR) 也在最近幾年中取代了反激電源中傳統(tǒng)的肖特基二極管，實(shí)現(xiàn)了效率的明顯提升。

但是，反激式變換器仍需不斷改進(jìn)傳統(tǒng)的反激拓?fù)?，才能?yīng)對(duì)效率與功率密度需求的不斷提高。截至目前，反激拓?fù)湟殉霈F(xiàn)多個(gè)變體版本，并成功應(yīng)用于 AC/DC 應(yīng)用，例如零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 反激拓?fù)?、有源鉗位反激拓?fù)?(ACF)，以及即實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)關(guān)又降低了開(kāi)關(guān)損耗的混合式反激拓?fù)?。這些新型反激拓?fù)涓纳屏诵什⑻岣吡碎_(kāi)關(guān)頻率，極大地推進(jìn)了高功率密度的變換器設(shè)計(jì)。

然而，這些新興反激拓?fù)渚哂胁煌墓ぷ髟?，這給同步整流器控制帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。由于需要額外的開(kāi)關(guān)脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，同步整流器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)通常會(huì)導(dǎo)通兩次，而第二次導(dǎo)通周期可能會(huì)導(dǎo)致許多現(xiàn)有 SR 控制器發(fā)生嚴(yán)重?fù)舸?。本文提出了一種解決方案，可以避免在設(shè)計(jì)帶同步整流功能的新型反激拓?fù)淦骷倪^(guò)程中發(fā)生嚴(yán)重?fù)舸┑娘L(fēng)險(xiǎn)。

ZVS 反激拓?fù)渥凅w類型

通常，反激式變換器中的零電壓開(kāi)關(guān)是通過(guò)偏置磁化電感為負(fù)極性來(lái)實(shí)現(xiàn)的，允許電感電流在原邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通之前將電壓拉低至零。

圖 1 顯示了采用輔助繞組的 ZVS 反激拓?fù)?，這是目前市場(chǎng)上常用的標(biāo)準(zhǔn) ZVS 反激拓?fù)洹?nbsp;

圖 1：采用輔助繞組的 ZVS 反激拓?fù)?/p>

圖 2 顯示了 這種 ZVS 反激式控制器的典型工作波形。 

圖 2：ZVS 反激式控制器的典型工作波形

除了原邊 MOSFET (Q_P) 和 SR MOSFET (Q_S) 以外，這種拓?fù)溥€需要一個(gè)輔助 MOSFET (Q_A) 來(lái)支持 ZVS 的實(shí)現(xiàn)。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的 Q_P 導(dǎo)通之前，Q_A 先導(dǎo)通一小段時(shí)間，通過(guò)變壓器的輔助繞組將磁化電感偏置為負(fù)極性。該過(guò)程可以在 Q_P 導(dǎo)通之前將 Q_P 漏源電壓 (V_{DS_QP}) 下拉至 0V，從而實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。

Q_A 通常與 Q_P 一起放置在原邊接地端，因此二者均由原邊反激控制器控制以實(shí)現(xiàn)精確同步。SR 控制器則放置在副邊接地端，僅根據(jù) Q_S 漏源電壓 (V_{DS_QS}) 的極性確定導(dǎo)通時(shí)間。當(dāng) Q_P 關(guān)斷時(shí)，磁化電流被迫流向副邊，而 Q_P 應(yīng)在 V_{DS_QS} 變?yōu)樨?fù)值時(shí)立即導(dǎo)通，以便有效為輸出供電。當(dāng) Q_A 導(dǎo)通時(shí)，V_{DS_QS} 也變?yōu)樨?fù)值，因?yàn)樽儔浩鞯妮o助繞組和副邊繞組具有相同的極性。

因此，在與原邊控制器之間沒(méi)有通信路徑的情況下，SR 控制器很難區(qū)分 Q_P 的關(guān)斷與 Q_A 的導(dǎo)通。 對(duì)于大多數(shù)現(xiàn)有 SR 控制器來(lái)說(shuō)，這很可能導(dǎo)致二次導(dǎo)通事件。因?yàn)?Q_A 的導(dǎo)通時(shí)間往往非常短，而 Q_P 會(huì)在 Q_A 之后立即導(dǎo)通；SR 控制器會(huì)在這種極短的導(dǎo)通時(shí)間模式下持續(xù)運(yùn)行且無(wú)法立即關(guān)斷。 在這種情況下，原邊和副邊之間可能會(huì)發(fā)生擊穿，從而導(dǎo)致電源變換器可靠性不高。

圖 3 顯示了非互補(bǔ)工作模式下的 ACF 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與互補(bǔ)模式不同，它采用斷續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM) 來(lái)提高輕載效率。 

圖 3: ACF 拓?fù)?/p>

圖 4 顯示了 ACF 拓?fù)涞牡湫凸ぷ鞑ㄐ?。這種拓?fù)渫ㄟ^(guò)在導(dǎo)通 Q_P 之前二次導(dǎo)通鉗位 MOSFET (Q_C) 來(lái)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。這會(huì)導(dǎo)致第二次 SR 柵極導(dǎo)通，并帶來(lái)?yè)舸┑臐撛陲L(fēng)險(xiǎn)。 

圖 4：非互補(bǔ)模式下 ACF 拓?fù)涞牡湫凸ぷ鞑ㄐ?/p>

圖 5 顯示了 DCM 模式下的混合反激拓?fù)??；旌戏醇ね負(fù)淅弥C振電容通過(guò)變壓器輸出額外的功率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)上管 MOSFET (Q_H) 和下管 MOSFET (Q_L) 的 ZVS。因此，與傳統(tǒng)反激拓?fù)湎啾?，混合反激拓?fù)涓m合高功率應(yīng)用。

圖5: 混合反激拓?fù)?/p>

圖 6 顯示了混合反激拓?fù)涞牡湫凸ぷ鞑ㄐ?。?DCM 模式下，Q_H 通過(guò)短時(shí)間導(dǎo)通 Q_L 來(lái)實(shí)現(xiàn) ZVS。 因此，混合反激拓?fù)湟灿锌赡芙?jīng)歷第二次 SR 柵極導(dǎo)通并發(fā)生擊穿。 

圖 6：DCM 模式下混合反激拓?fù)涞牡湫凸ぷ鞑ㄐ?/p>

可靠的 ZVS 反激拓?fù)?SR 控制

如前所述，大多數(shù)現(xiàn)有 SR 控制器通過(guò)簡(jiǎn)單比較漏源電壓和特定電壓閾值來(lái)確定導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)序。 這導(dǎo)致同步整流器可能在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中都導(dǎo)通兩次，與最小導(dǎo)通時(shí)間邏輯是沖突的，并增加了擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。因此，我們需要一種先進(jìn)的同步整流器控制方案來(lái)區(qū)分每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的第一次和第二次的導(dǎo)通事件，并避免在任何工作條件下發(fā)生擊穿。

MP6951 是 MPS 推出的新型 SR 控制器，它采用智能控制方案來(lái)區(qū)分導(dǎo)通事件并應(yīng)對(duì)擊穿風(fēng)險(xiǎn)。除了監(jiān)測(cè)漏源電壓的極性變化外，MP6951 還可以監(jiān)測(cè)高電平脈沖的幅度和持續(xù)時(shí)間。

如圖 7 所示，MP6951 根據(jù)漏源上的峰值電壓得到電壓閾值 (V_P)；在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，都實(shí)時(shí)比較漏源電壓和 V_P。只有當(dāng)正脈沖持續(xù)時(shí)間大于可配置時(shí)長(zhǎng) t_W 時(shí)，才會(huì)啟用完全導(dǎo)通邏輯，同步整流器會(huì)在漏源極性翻轉(zhuǎn)時(shí)立即導(dǎo)通。

圖 7: MP6951 的導(dǎo)通條件

否則，即使漏源極性翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)通邏輯也會(huì)被禁用或延遲。因?yàn)槿绻┰措妷簺](méi)有超過(guò) V_P，或者正脈沖的持續(xù)時(shí)間未超過(guò) t_W，則同步整流器在零電壓開(kāi)關(guān)的第二個(gè)脈沖期間不會(huì)導(dǎo)通。此外，MP6951 可根據(jù)輸入和輸出電壓的各種組合對(duì) t_W 邏輯進(jìn)行內(nèi)部調(diào)節(jié)。最終實(shí)現(xiàn)同步整流器總在最合適的時(shí)間導(dǎo)通。

圖 8 顯示了采用 ZVS 反激拓?fù)鋾r(shí) MP6951 的工作波形。通常情況下，SR 柵極會(huì)在原邊 MOSFET 關(guān)斷后立即導(dǎo)通；但當(dāng)其他開(kāi)關(guān)（包括 Q_A、Q_C 和 Q_L）為零電壓開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，SR 柵極不會(huì)導(dǎo)通。因此，完全消除了擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。 

圖 8: MP6951 在 ZVS 反激變換器中的工作波形

結(jié)語(yǔ)

為滿足市場(chǎng)更高功率密度和效率的需求，新型反激拓?fù)渥凅w正經(jīng)歷快速發(fā)展。隨著越來(lái)越多的零電壓開(kāi)關(guān)變體用于實(shí)際應(yīng)用中，SR 控制器也必須與時(shí)俱進(jìn)。作為同步整流器市場(chǎng)的領(lǐng)先企業(yè)，MPS 的 MP6951 提供的 SR 具有非常好的穩(wěn)健性與可靠性。與現(xiàn)有的 SR 控制器相比，MP6951 可以匹配任何反激拓?fù)渥凅w，其關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)就是消除了 ZVS 操作期間的擊穿風(fēng)險(xiǎn)。此外，MP6951 控制方案在尖端適配器產(chǎn)品中的有效性，已在理論和生產(chǎn)中得到了充分的驗(yàn)證。