有源鉗位反激轉(zhuǎn)換器如何比傳統(tǒng)QRF運(yùn)行得更快

出于多種原因，準(zhǔn)諧振反激 (QRF) 電源轉(zhuǎn)換器在 150W 或更低輸出功率范圍內(nèi)的低功率離線應(yīng)用中是一種流行的選擇。QRF 轉(zhuǎn)換器的元件數(shù)量很少，這意味著成本較低的材料清單。當(dāng)在轉(zhuǎn)換器的輸出上使用同步整流器時(shí)，該拓?fù)淇梢詫⑾到y(tǒng)效率提高到 90% 至 91%。

為了管理傳統(tǒng) QRF 中的熱量和功耗，工程師將其設(shè)計(jì)的最大開(kāi)關(guān)頻率 (f sw ) 限制在 100 kHz 以下。唯一的問(wèn)題是消費(fèi)者希望他們的適配器比現(xiàn)在更小。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，它需要能夠以至少比目前使用的 QRF 高 2 到 3 倍的開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行離線反激式轉(zhuǎn)換器，以減小磁性尺寸。在本文中，我們將討論在這些應(yīng)用中使用有源鉗位反激 (ACF) 轉(zhuǎn)換器如何能夠比傳統(tǒng) QRF 運(yùn)行得更快、溫度更低，從而能夠減小離線反激應(yīng)用中的磁性尺寸并使整體電源更小。

QRF 開(kāi)關(guān)損耗隨頻率增加

QRF 轉(zhuǎn)換器是一種非常高效的電源轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗哂泄鹊组_(kāi)關(guān)的能力，與傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)反激轉(zhuǎn)換器相比，它具有更低的開(kāi)關(guān)損耗。然而，QRF 確實(shí)具有隨開(kāi)關(guān)頻率而增加的開(kāi)關(guān)損耗 (Q 1 )，尤其是在高輸入電壓下。

等式 1 表示 QRF 開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn) (V SW ) 開(kāi)關(guān)損耗 (P SW(QRF) )，其中 N P /N S 是反激式轉(zhuǎn)換器的變壓器匝數(shù)比 (T 1，圖 1 )。變量 C SW 是反激式轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn) (V SW ) 電容。從這個(gè)方程可以看出，P SW(QRF) 將增加 f SW。

圖 1：顯示 RCD、二極管和有源鉗位的離線反激式轉(zhuǎn)換器。

無(wú)源鉗位損耗隨開(kāi)關(guān)頻率增加

傳統(tǒng) QRF 轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)問(wèn)題是，它傳統(tǒng)上使用二極管鉗位或電阻電容二極管 (RCD) 鉗位來(lái)提供電流路徑，以使變壓器 (T 1 ) 初級(jí)漏感 (L LK ) 斷電并保護(hù)轉(zhuǎn)換器的主電源。開(kāi)關(guān) (Q 1 ) 免受電氣過(guò)應(yīng)力和損壞。不幸的是，這些無(wú)源鉗位不是免費(fèi)的，它們會(huì)消耗隨開(kāi)關(guān)頻率 (f SW ) 增加的功率 (P CLAMP )。

查看公式 2 如何計(jì)算反激無(wú)源鉗位功耗 (P CLAMP )。在這個(gè)等式中，V CLAMP是 Q 1關(guān)閉 時(shí)鉗位兩端的電壓 ，而 I P 是變壓器的峰值初級(jí)電流。與開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)損耗類(lèi)似，鉗位損耗也隨著 f SW增加。

帶有無(wú)源鉗位的 QRF 中的 P CLAMP 和 P SW(QRF) 損耗對(duì)高頻設(shè)計(jì)不利。如果您試圖通過(guò)在更高的開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行設(shè)計(jì)來(lái)減小電源轉(zhuǎn)換器的磁性尺寸，您將不得不增加 Q 1的散熱器尺寸，從而損害設(shè)計(jì)的功率密度。增加的損耗會(huì)損害系統(tǒng)效率，并且需要為主開(kāi)關(guān)和無(wú)源鉗位使用更高額定功率和更昂貴的組件。這阻礙了大多數(shù)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)超過(guò) 100 kHz 的 QRF 轉(zhuǎn)換器。

ACF 回收鉗位能量

圖 1中的有源鉗位 由鉗位開(kāi)關(guān) (Q C ) 和鉗位電容器 (C C ) 組成，可替代 RCD 或二極管鉗位。這為變壓器 T 1的漏感 (L LK ) 的放電和存儲(chǔ)提供了空間，從而保護(hù)了 Q 1 免受電氣過(guò)應(yīng)力的影響。由于 Q C 允許雙向鉗位電流 (I C )，泄漏能量可以通過(guò)反激轉(zhuǎn)換器的變壓器初級(jí)與次級(jí)匝數(shù)比 (N P /N S) 每個(gè)開(kāi)關(guān)周期，使有源鉗位接近無(wú)損耗，是 200kHz 或更高頻率范圍內(nèi)的更高頻率設(shè)計(jì)的更好選擇。

ACF 可實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)

市場(chǎng)上有一些脈寬調(diào)制器 (PWM) 控制器設(shè)計(jì)用于有源鉗位功率轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器具有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輸出用于 Q C 和 Q 1。然后，電源設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)延遲鉗位開(kāi)關(guān)的關(guān)閉來(lái)利用雙向電流。該延遲允許初級(jí)勵(lì)磁電感 (L PM ) 反向充電，并產(chǎn)生足夠大的負(fù)峰值初級(jí)電流 (–IP) 與開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電容 (C SW ) 諧振，從而實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān) ( ZVS)。

該延遲確實(shí)需要調(diào)整開(kāi)關(guān) Q 1的關(guān)斷延遲，讓電源轉(zhuǎn)換器有時(shí)間實(shí)現(xiàn) ZVS。這將需要在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行一些工作，但消除開(kāi)關(guān)損耗是非常值得的。

為了實(shí)現(xiàn) ZVS，L PM 中的能量需要等于 C SW中的能量。這種關(guān)系如公式 3 所示：

計(jì)算實(shí)現(xiàn) ZVS 所需的負(fù)電流量可以通過(guò)從公式 3 中代數(shù)求解 I P 得出，得到公式 4：

為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，德州儀器開(kāi)發(fā)了 UCC28780 有源反激式控制器。UCC28780 監(jiān)控開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)并將調(diào)整 Q C 關(guān)斷延遲和 Q 1 開(kāi)啟延遲以實(shí)現(xiàn) ZVS?？刂破鞒掷m(xù)監(jiān)控開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，并將在幾個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)調(diào)整延遲，以確保在線路電壓和/或電源轉(zhuǎn)換器負(fù)載發(fā)生變化時(shí)設(shè)計(jì)仍能實(shí)現(xiàn) ZVS。這應(yīng)該會(huì)縮短有源鉗位反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)周期，從而進(jìn)一步降低開(kāi)發(fā)成本。

圖 2 顯示了 QRF 和 ACF 開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)開(kāi)關(guān)和變壓器初級(jí)電流之間的圖形比較。此波形中有注釋說(shuō)明了為什么 ACF 比傳統(tǒng)的 QRF 反激式更有效。

圖 2：ACF ZVS 和有源鉗位與 QRF 和無(wú)源鉗位。

總結(jié)

如果設(shè)計(jì)正確，ACF 控制器不僅可以回收變壓器泄漏能量以消除開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)鉗位損耗，還可以實(shí)現(xiàn) ZVS，消除初級(jí)開(kāi)關(guān)損耗。這使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒎醇な诫娫崔D(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率從 100 kHz 推至 200 kHz 或更高，而無(wú)需增加額外的散熱裝置，與使用無(wú)源鉗位的 QRF 相比，這使他們能夠減小設(shè)計(jì)的磁性尺寸并提高功率密度。

審核編輯：湯梓紅