借助 PSFB 轉(zhuǎn)換器中的有源鉗位實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換器效率

本次為大家?guī)?lái)的是《借助 PSFB 轉(zhuǎn)換器中的有源鉗位實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換器效率》，我們將深入探討有源(而不是無(wú)源)緩沖器及其相關(guān)控制。該緩沖器可更大限度地減小整流器電壓應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換器效率，同時(shí)還可在不影響工作范圍的情況下大大降低緩沖電路中的能量耗散。

引言

相移全橋 (PSFB) 轉(zhuǎn)換器（請(qǐng)參閱圖 1 ）廣泛應(yīng)用于高功率應(yīng)用，主要是因?yàn)?PSFB 轉(zhuǎn)換器可在其輸入開關(guān)上實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，從而提高轉(zhuǎn)換器的效率。雖然軟開關(guān)大大降低了開關(guān)損耗，但輸出整流器寄生電容與變壓器漏電指示器諧振（在圖 1 中建模為 Lr），導(dǎo)致電壓振鈴并具有高電壓應(yīng)力。

輸出整流器的電壓應(yīng)力可能高達(dá) 2×VIN×NS/NP，其中 NP 和 NS 分別是變壓器的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組。過(guò)去，在輸出整流器上應(yīng)用無(wú)源緩沖器（如圖 1 中的電阻器-電容器-二極管 [RCD] 緩沖器）可防止整流器電壓過(guò)高，并允許使用額定電壓較低且品質(zhì)因數(shù)較高的元件來(lái)降低功率損耗。

圖 1. 具有無(wú)源鉗位和主要波形的 PSFB 功率級(jí)

將金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 用作同步整流器 (SR) 時(shí)，與額定電壓較高的 MOSFET 相比，在額定電壓較低的 MOSFET 上可實(shí)現(xiàn)更低的 Coss 和 RDS(on)。但是，使用無(wú)源緩沖器意味著導(dǎo)致電壓振鈴的部分能量將在無(wú)源緩沖器中耗散，從而降低效率。

本文介紹了有源（而不是無(wú)源）緩沖器及其相關(guān)控制，該緩沖器可更大限度地減小整流器電壓應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換器效率，同時(shí)還可在不影響工作范圍的情況下大大降低緩沖電路中的能量耗散。

具有有源鉗位的 PSFB 轉(zhuǎn)換器

如圖 2 所示，在輸出電感器之前插入由電容器  (CCL) 和 MOSFET (QCL) 形成的有源鉗位支路，可以在有效占空比 (Deff) 周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)有源鉗位支路電流傳導(dǎo)，從而將次級(jí)繞組電壓 (VSEC) 和整流器電壓應(yīng)力鉗位到 CCL 電壓 -VCL。為了對(duì)輸出整流器施加低電壓應(yīng)力，您必須選擇足夠大的 CCL 以實(shí)現(xiàn)低電容器電壓紋波。經(jīng)驗(yàn)法則是選擇由 Lr 和CCL 形成的電感器-電容器 (LC) 諧振周期，該周期遠(yuǎn)長(zhǎng)于由方程式 1 表示的開關(guān)周期(TS)：

方程式1

使用有源緩沖器時(shí)，整流器電壓應(yīng)力將鉗制在 VIN×NS/NP 左右，這大約是沒有任何鉗位電路時(shí)電壓應(yīng)力的一半。

與無(wú)源緩沖器不同，有源緩沖器不會(huì)耗散功率電阻器上的振鈴能量，而是會(huì)作為無(wú)損緩沖器在 LC 諧振回路中實(shí)現(xiàn)能量循環(huán)。當(dāng)輸出繞組電壓變?yōu)榉橇銜r(shí)，能量將從初級(jí)繞組轉(zhuǎn)移到次級(jí)繞組，以便使輸出電感器通電并使電流通過(guò) QCL 體二極管，即使 QCL 未導(dǎo)通也是如此。在主體已傳導(dǎo)電流后導(dǎo)通 QCL 將確保 QCL 上實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān) (ZVS)。因此，與具有無(wú)源緩沖器的相同規(guī)格的 PSFB 轉(zhuǎn)換器相比，具有有源緩沖器的 PSFB 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器效率更高。

 圖 2. 具有有源鉗位和主要波形的 PSFB 功率級(jí)

有源鉗位支路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在 PSFB 中實(shí)現(xiàn)有源緩沖器時(shí)，變壓器繞組電流將不再像輸出電感器電流那樣在有效占空比 (Deff) 周期 (TS)（非零輸出繞組電壓周期）期間單調(diào)上升。這是因?yàn)橛性淳彌_電容器的能量還會(huì)參與使輸出電感器通電，而不僅僅依賴于輸入側(cè)的能量傳輸。非單調(diào)電流斜坡特性可能會(huì)使峰值電流模式控制變得困難，因?yàn)檩斎牖蜃儔浩骼@組電流通常用于峰值電流檢測(cè)，而輸入或變壓器繞組電流較高并不一定表明占空比較大。

為了在電流單調(diào)上升時(shí)進(jìn)行峰值電流檢測(cè)，我們必須確保在整個(gè)工作電壓和負(fù)載范圍內(nèi)，DeffTS 始終大于完成電流秒平衡的持續(xù)時(shí)間 - DCSBTS。由于具有較大 Deff 的 PSFB 有望實(shí)現(xiàn)高效率，因此 PSFB 通常設(shè)計(jì)為在中高負(fù)載條件下具有較大 Deff，并且預(yù)計(jì) Deff >> DCSB。在輕負(fù)載條件下，轉(zhuǎn)換器應(yīng)在不連續(xù)導(dǎo)通模式下運(yùn)行，其中 Deff 將小于連續(xù)導(dǎo)通模式下的 Deff (在相同的輸入/輸出電壓條件下)。為了使 DeffTS 即使在輕負(fù)載條件下也大于 DCSBTS，我們已實(shí)現(xiàn)了基于負(fù)載電流的降頻控制。

DCSBTS 的持續(xù)時(shí)間成為峰值電流模式控制的一個(gè)重要因素。完成電流秒平衡需要多長(zhǎng)時(shí)間，現(xiàn)在成為一個(gè)重要卻難以回答的問(wèn)題。要回答這個(gè)問(wèn)題，您需要計(jì)算流經(jīng)有源鉗位支路的電流。

假設(shè) VCL 為常量且 Lm=∞，則方程式 2 將占空比損耗周期（VSEC=0 且 iSR1 和 iSR2 正在換流的周期）期間的整流器電流變化率表示為： 

方程式 2

其中 VLr 是 Lr 兩端的電壓。

方程式 3 計(jì)算輸出電感器電流的變化率:

方程式 3

利用方程式 2 和方程式 3 以及基爾霍夫電流定律，方程式 4 計(jì)算有源鉗位電流的變化率:

方程式 4

由于 VCL≈VIN×NS/NP，因此您只需將總有源鉗位支路傳導(dǎo)時(shí)間作為方程式4 中的 Δt，即可求解 ΔiCL。但是， 您仍需要知道 iCL 的峰值，才能計(jì)算 iCL 均方根 (RMS) 值。如圖 3 所示，如果在時(shí)間 t2 時(shí) iSEC = iLo (在將 Coss 充電至 VCL 后)，而在時(shí)間 t3時(shí) iSEC = iSR (開始對(duì) CCL 充電)，則方程式 5 可推導(dǎo)出 iCL,peak 值為:

方程式 5

圖 3. 有源鉗位電流傳導(dǎo)周期的主要波形

通過(guò)方程式 6 將 t2處的 iSR2 值推導(dǎo)為:

方程式 6

假設(shè) iSR2 電流從 t0 到 t2 的遞減速率相同，則方程式 7 推導(dǎo)出 t2-t1 的持續(xù)時(shí)間為：

方程式 7

由于 CL 需要保持電流秒平衡，因此面積A1 和 A3 之和將等于面積 A2。

如方程式 7 所示，SR Coss 控制有源鉗位支路上的峰值電流。如果您選擇低 CossSR FET，則有源鉗位支路 RMS 電流會(huì)更低，從而有助于提高轉(zhuǎn)換器效率。

以下是設(shè)計(jì)具有有源緩沖器的 PSFB 轉(zhuǎn)換器時(shí)的一些設(shè)計(jì)指南:

● 為避免 CCL 能量回流到初級(jí)側(cè)，QCL 必須僅在占空比損耗持續(xù)時(shí)間之后才導(dǎo)通

● 當(dāng)體二極管仍在為 ZVS 傳導(dǎo)電流時(shí)，必須導(dǎo)通 QCL。

● 較長(zhǎng)的 QCL 導(dǎo)通時(shí)間會(huì)降低 VCL 和 SR 電壓應(yīng)力，但 QCL RMS 電流會(huì)增加。

● 較低的 SR Coss 不僅有助于降低有源鉗位支路 RMS 電流，還有助于降低 SR 電壓應(yīng)力。

有源鉗位方法不限于全橋整流器;它適用于其他類型的整流器，例如倍流器或中心抽頭整流器。圖 4 所示為中心抽頭整流器上帶有有源鉗位的 PSFB 轉(zhuǎn)換器，在具有有源鉗位、功率密度大于 270W/in3 的 3kW 相移全橋參考設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)。

圖 4. 中心抽頭整流器上帶有有源緩沖器的PSFB 轉(zhuǎn)換器

如圖 5 所示，使用雙有源鉗位支路可將 SR 電壓應(yīng)力鉗制在 40V 以下，負(fù)載電流為 250A 時(shí)的鉗位損耗可忽略不計(jì) (導(dǎo)通損耗非常小)。

圖 5. 具有中心抽頭整流器和有源緩沖器的PSFB 轉(zhuǎn)換器在12V/3kW 輸出下的穩(wěn)態(tài)波形

總結(jié)

本文討論了一種允許 PSFB 轉(zhuǎn)換器在峰值電流模式控制下與有源緩沖器搭配使用的控制方法。有源緩沖器可降低輸出整流器上的電壓應(yīng)力，緩沖電路上的功率損耗可忽略不計(jì)，從而大大提高了轉(zhuǎn)換器效率。有源緩沖器引入的電流干擾使峰值電流模式控制變得困難。通過(guò)固定有源緩沖器電源開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間并實(shí)施降頻控制，可以實(shí)現(xiàn)高效且峰值電流受控的 PSFB 轉(zhuǎn)換器。400Vin、12Vout/3kW PSFB 原型采用提議的控制方法構(gòu)建而成，這種方法已在整個(gè)工作負(fù)載范圍內(nèi)進(jìn)行了驗(yàn)證，在 250A 滿載條件下，輸出整流器電壓應(yīng)力限制在 40V 以下。