有源鉗位反激(ACF)變換器控制方案(1)

相比于傳統(tǒng)RCD鉗位反激和準(zhǔn)諧振反激變換器，有源鉗位反激最大的優(yōu)勢(shì)在于原邊功率管的ZVS可以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)增加一個(gè)鉗位功率管和鉗位電容，變壓器漏感中的能量可以通過(guò)諧振過(guò)程被鉗位電容吸收。當(dāng)ACF工作于CCM模式，實(shí)現(xiàn)主功率管ZVS的能量與漏感有關(guān)。因此，被諧振電容吸收的能量可以用于實(shí)現(xiàn)主功率管的ZVS，或者傳輸?shù)礁边?。然而，?dāng)開(kāi)關(guān)頻率提高時(shí)，漏感往往較小，此部分能量可能不能滿足全輸入和負(fù)載范圍內(nèi)ZVS的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)ACF工作于過(guò)渡模式或CrCM模式時(shí)，實(shí)現(xiàn)主功率ZVS的能量與勵(lì)磁電感有關(guān)。由于勵(lì)磁電感遠(yuǎn)大于漏感，所以主功率管更容易實(shí)現(xiàn)ZVS。因此，CrCM模式下的ACF更適宜于應(yīng)用在高頻環(huán)境中。但是，要滿足全輸入和全負(fù)載范圍內(nèi)的高效工作，實(shí)現(xiàn)ZVS的能量和時(shí)間需要被調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的ZVS調(diào)節(jié)。在這種情況下，ACF就需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定和ZVS調(diào)節(jié)的多目標(biāo)控制策略。

圖1 幾種反激拓?fù)鋵?duì)比

圖2 CCM和CrCM ACF工作波形對(duì)比

接下來(lái)，將會(huì)介紹幾種ACF變換器的控制策略，并將對(duì)這些控制策略進(jìn)行理論分析，作為ACF變換器設(shè)計(jì)和研究的些許參考。

首先介紹的是出自于TI的應(yīng)用于ACF的專用控制器UCC28780中的控制策略，采用多模式控制實(shí)現(xiàn)負(fù)載調(diào)節(jié)，采用PCM控制實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓，采用自適應(yīng)鉗位時(shí)間實(shí)現(xiàn)ZVS調(diào)節(jié)。該控制器可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的partial和full ZVS 控制效果，可以達(dá)到1 MHz的開(kāi)關(guān)頻率，既可以用于Si器件系統(tǒng)，也可用于GaN作為功率管的ACF系統(tǒng)。

圖3 UCC28780控制框圖

該控制器將全負(fù)載范圍分為四個(gè)區(qū)間，在不同的區(qū)間實(shí)現(xiàn)不同的控制模式。這四個(gè)工作模式分別是自適應(yīng)幅值調(diào)節(jié)（AAM），自適應(yīng)跳周期模式（ABM），低功耗模式（LPM）和待機(jī)功耗模式（SBP）。通過(guò)檢測(cè)電流峰值控制信號(hào)Vcs的大小，判斷負(fù)載狀態(tài)，并調(diào)節(jié)ACF在不同模式下工作。

在AAM中，通過(guò)PCM調(diào)節(jié)主功率管的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定；通過(guò)檢測(cè)橋臂中點(diǎn)電壓，判斷當(dāng)前周期ZVS的實(shí)現(xiàn)情況，如果未實(shí)現(xiàn)，則在下個(gè)周期增大鉗位管的導(dǎo)通時(shí)間，如果實(shí)現(xiàn)，則在下個(gè)周期減小鉗位管的導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的ZVS調(diào)節(jié)。在這種情況下，ACF工作于變頻模式。在該模式下，不同負(fù)載下的電流峰值會(huì)發(fā)生變化，但谷值電流基本維持不變。然而，谷值電流隨著輸入電壓的不同而有所不同。主功率管的導(dǎo)通時(shí)間設(shè)置在電感電流為0的點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)盡可能大的效率工作，這樣也保證了自適應(yīng)死區(qū)調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)。

圖4 AAM

ABM具有和ON-OFF控制相同的控制邏輯，在Burst大的開(kāi)關(guān)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率管正常工作和關(guān)閉工作兩種狀態(tài)，在功率管開(kāi)關(guān)周期內(nèi)具有和AAM完全相同的控制方式。Burst大周期內(nèi)功率管的開(kāi)關(guān)次數(shù)Nsw與負(fù)載大小有關(guān)，可以用下式表示。輸出電壓紋波和可聞噪聲的問(wèn)題在該控制模式下也有被考慮到。此外，更細(xì)節(jié)的是，不僅第一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)主功率管在電感電流為0時(shí)開(kāi)啟，而且最后一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)鉗位管在電感電流為0時(shí)關(guān)斷，以盡可能保持最優(yōu)的效率，也避免產(chǎn)生過(guò)大的電壓噪聲。

圖5 ABM

當(dāng)Nsw隨著負(fù)載下降到2時(shí)，進(jìn)入LPM。在該模式下，只有主功率管開(kāi)啟，鉗位管關(guān)閉，ACF相當(dāng)于工作在傳統(tǒng)臨界反激模式。在該模式下同樣通過(guò)ON-OFF控制主功率管的正常工作， ON-OFF的周期被固定在25kHz。LPM通過(guò)調(diào)節(jié)主功率的導(dǎo)通時(shí)間調(diào)節(jié)負(fù)載大小。

圖 6 LPM

當(dāng)主功率管的導(dǎo)通時(shí)間下降的最小的導(dǎo)通時(shí)間ton(min)時(shí)，該芯片進(jìn)入SBP模式。該模式下，主功率管導(dǎo)通時(shí)間、開(kāi)關(guān)頻率、ON-OFF周期全部固定。

通過(guò)這四個(gè)工作模式，ACF可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的負(fù)載、輸出電壓、ZVS調(diào)節(jié)。該控制策略下ACF的頻率及Nsw變化曲線如下圖所示。

圖7 頻率及Nsw變化曲線

四個(gè)模式下的功能以及PWMH、ZVS的狀態(tài)可見(jiàn)下表。

基于此控制芯片，TI設(shè)計(jì)了多款不同參數(shù)的ACF變換器樣機(jī)。其中，最高的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置在300kHz，最高的效率可以達(dá)到94.7%，最高的功率密度可以達(dá)到30W/in3，市面上也有多款采用此控制器的ACF產(chǎn)品上市，并取得了不錯(cuò)的效果。有關(guān)該控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析將和其他的控制方案一起總結(jié)整理后給出。