怎樣用非耗散鉗位技術(shù)來回收泄漏能量并提高效率

在標(biāo)準(zhǔn)反激式電源轉(zhuǎn)換器中，變壓器的漏電感會(huì)在初級(jí)側(cè)FET的漏極上產(chǎn)生電壓尖峰。為防止這種尖峰，F(xiàn)ET通常需要一個(gè)鉗位保護(hù)，如圖1所示。但鉗位保護(hù)中的功率損耗限制了反激轉(zhuǎn)換器的效率。在本電源技巧中，我們將研究反激式電源轉(zhuǎn)換器的兩種不同結(jié)構(gòu)，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)換器采用耗散鉗位

耗散鉗位中的功率損耗與存儲(chǔ)與電感的能量有關(guān)。當(dāng)FET導(dǎo)通時(shí)，變壓器初級(jí)繞組中的電流逐漸增加到峰值電流。當(dāng)FET關(guān)斷時(shí)，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心耦合，因此它可以保留在初級(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，磁化能量的一部分也是如此。如功率提示＃17中所述，將初級(jí)繞組電壓鉗制得遠(yuǎn)高于反射輸出電壓可以最大限度地減少鉗位中燃燒的磁化能量。

雙開關(guān)反激是反激式轉(zhuǎn)換器的常見變體，可回收泄漏能量。圖2是雙開關(guān)反激的簡化示意圖。兩個(gè)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)它們接通時(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)繞組將磁化能量傳遞給輸出端，泄漏能量通過D1和D2再循環(huán)回輸入端。通過回收泄漏能量，雙開關(guān)反激式電池的效率高于單開關(guān)耗散型開關(guān)。

圖2雙開關(guān)反激回收鉗位能量到輸入

兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通會(huì)抵消效率，因此傳導(dǎo)損耗趨于增加，特別是在低輸入電壓應(yīng)用中。幸運(yùn)的是，兩個(gè)FET的漏極——源極電壓都會(huì)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。同時(shí)，鉗位電壓的能力在高輸入電壓應(yīng)用中也是有利的。

效率增益與漏電感與磁化電感的比率有關(guān)，通常約為2％。回收泄漏能量除了提高效率之外還具有其他益處，例如在高功率反激式應(yīng)用中（通常大于75W），耗散鉗位中的損耗會(huì)產(chǎn)生熱管理，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)的熱性能的折衷是成本和復(fù)雜性的增加。不僅需要額外的FET;同時(shí)也需要高端FET的隔離驅(qū)動(dòng)器。另外，需要設(shè)置變壓器匝數(shù)比，使得輸出電壓小于最小輸入電壓。否則，輸出電壓將被鉗位，變壓器將無法正常復(fù)位。因此，雙開關(guān)反激本質(zhì)上限于最大50％的占空比。實(shí)際上，輸出電壓應(yīng)該足夠低于最小輸入電壓，以允許漏電感的快速復(fù)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。這種非消耗性鉗位技術(shù)并不是新的，但它也不為人所熟知。然而它提供了許多與雙開關(guān)反激式相同的好處。

圖3一個(gè)簡單的非耗散鉗位添加到單開關(guān)反激式

實(shí)現(xiàn)此鉗位需要在變壓器的初級(jí)側(cè)添加鉗位繞組。該繞組必須具有與初級(jí)繞組相同的匝數(shù)。增加一個(gè)鉗位電容，連接到FET的漏極。鉗位電容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將鉗位電容兩端的電壓限制為等于輸入電壓的最大值，在主回路周圍應(yīng)用基爾霍夫電壓定律時(shí)很明顯，如圖4所示。請(qǐng)注意，兩個(gè)初級(jí)繞組電壓相互抵消，無論任何的極性或大小。只有在兩個(gè)繞組上使用相同的匝數(shù)時(shí)，此方法才有效。

圖4鉗位電容電壓受輸入電壓的限制

要了解此鉗位如何工作，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)，漏電感中的電流流過鉗位電容并使二極管D1正向偏置。當(dāng)D1導(dǎo)通時(shí)，漏電感將在其兩端的電壓等于輸入電壓和反射輸出電壓之間的差值。一旦漏電感中的電流降至零，D1就會(huì)關(guān)閉。傳遞到鉗位電容器的泄漏能量暫時(shí)使鉗位電容器上的電壓略高于輸入電壓。當(dāng)D1關(guān)斷時(shí)，D2鉗位通過變壓器繞組中的耦合有效地將存儲(chǔ)的電荷傳輸?shù)捷敵鰝?cè)。

該鉗位電路需要更少的元件，并且比雙開關(guān)反激式元件便宜。就像雙開關(guān)反激式一樣，它可以提高幾個(gè)百分點(diǎn)的效率，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在最大值的50％。需要考慮的是電路需要一個(gè)更高電壓的FET，其額定輸入電壓必須超過輸入電壓的兩倍。與雙開關(guān)反激相比，F(xiàn)ET的漏極上的較高電壓也可能對(duì)電磁干擾提出更多挑戰(zhàn)。

有源鉗位反激是另一種版本的反激式回收漏電能量，同時(shí)可以提供零電壓開關(guān)。有源鉗位反激更復(fù)雜，需要專用控制器。下次設(shè)計(jì)高功率反激電源時(shí)，請(qǐng)考慮采用非耗散鉗位來提高效率并保持良好散熱。