ACF與AHB反激變換器的優(yōu)缺點對比

反激變換器是小功率電源所廣泛采用的拓撲解決方案，尤其在電源適配器應用中更為常見。然而，隨著對電源體積和效率要求的提高，傳統(tǒng)的反激變換器逐漸不能滿足應用需求。有源鉗位反激（ACF）變換器是傳統(tǒng)反激的一種衍生拓撲。通過增加一個鉗位功率管和一個鉗位電容，變壓器漏感中的能量能被鉗位電容吸收。此部分能量可以用于實現(xiàn)原邊主功率管的ZVS，尤其當ACF工作與CrCM或過渡模式時。因此，相對于反激變換器，ACF變換器可以實現(xiàn)更高的效率和更高的開關頻率。由于漏感中的能量被吸收，在主功率管開啟過程中不存在漏感尖峰，功率管的電壓應力更小，輸入電壓范圍更寬，EMI噪聲更小。此外，第三代GaN半導體功率器件的廣泛應用，也促使ACF變換器可以向更小體積更高功率密度的方向發(fā)展。目前，已有多家公司設計并上市出以ACF為拓撲方案的小體積GaN快充適配器。

圖1 反激與ACF的拓撲及工作波形對比

非對稱半橋（AHB）變換器是一種類似于ACF的DC-DC變換器，其屬于LLC諧振變換器的一種特殊工作模式。AHB和ACF具有完全相同的電路元件，工作模式和工作波形。兩者的在拓撲上的區(qū)別在于諧振電容或鉗位電容的位置稍有不同。由于工作模式基本一致，AHB和ACF具有類似的控制方式，兩者都需要通過調(diào)節(jié)主功率管的導通時間穩(wěn)定輸出電壓，通過調(diào)節(jié)另一個功率管的導通時間以控制主功率管ZVS的實現(xiàn)。因此，ACF和AHB變換器都需要工作在變頻模式。然而，由于拓撲結(jié)構(gòu)的不同，導致兩者在控制和工作性能上有所差異，簡單的對比分析如下：

圖2 AHB變換器的拓撲及工作波形

1）AHB比ACF具有更小的電壓應力

ACF是傳統(tǒng)反激的一種改進拓撲，因此其電壓應力和拓撲增益與反激完全一樣。在工作過程中，ACF原邊功率管的電壓應力為（Vin+n*Vo），副邊功率管的電壓應力為（Vin/n+Vo）。而AHB原邊功率管的電壓應力為Vin，副邊功率管的電壓應力Vin/n。因此，AHB的電壓應力要比ACF的小。低電壓應力不僅有利于功率管的安全工作，也有利于選擇體積更小、成本更低的功率管。

2）ACF比AHB具有更寬的輸入電壓調(diào)節(jié)能力

和反激變換器一樣，ACF的電壓增益為D/(1-D)，而AHB變換器的電壓增益和Buck變換器一樣都為D。在適配器的應用場合中，為了滿足國內(nèi)國際標準，輸入電壓的范圍一般為90~264Vac，或130~380Vdc。如此寬的輸入電壓范圍將使得AHB變換器的占空比D同樣很寬，這不利于諧振過程的完美實現(xiàn)。下表給出了ACF和AHB在不同變壓器匝比下的最大最小占空比對比。其中，功率管電壓應力設定為650V，輸出電壓為20V。

從表中可以看出，無論變壓器匝比取表中的任何一個，ACF的占空比維持在0.6以下。然而，AHB的匝比取4時，最大的占空比已超過0.6。當匝比為8時，最大占空比竟然超過1。在AHB和ACF的工作過程中，傳遞能量階段導通的功率管需要有足夠多的時間去維持諧振過程的完全實現(xiàn)，這樣一方面保證主功率管ZVS的實現(xiàn)，一方面有利于系統(tǒng)效率的最大化。而當占空比太大時，在相同的開關頻率下，AHB的諧振時間將遠小于ACF變換器。如果要保證足夠的諧振時間，AHB的開關頻率將比ACF更小。導致AHB占空比最大取值是在輸入電壓最低時。如果能提高AHB的最小輸入電壓，此問題將有所改善?；诖耍瑢HB只用于國內(nèi)220Vac輸入的應用場合應該比較合適。

3）ACF比AHB具有更高的開關頻率

在開關頻率方面，上述的占空比問題是導致同參數(shù)下AHB開關頻率更小的一個原因。除此之外，較低的變壓器原邊電壓也是一個影響因素。在ACF變換器中主功率管導通階段，變壓器原邊的電壓為（Vin*Lm/(Lr+Lm)）。由于Lr遠小于Lm，此數(shù)值基本等于Vin。而在AHB變換器中，變壓器原邊電壓為Vin/2。兩者變壓器原邊電壓的差別，必然導致電感電流斜率的不同。因此，在相同的電路參數(shù)下，ACF具有比AHB更大的電感電流斜率。于是，為了維持相同的功率輸出，AHB需要有更小的開關頻率。

4）ACF具有比AHB更高的效率

同樣的，除了上述的占空比問題會通過影響諧振過程時間而影響到工作效率外，變壓器的匝比也是很重要的影響因素。為了降低原邊損耗，ACF變壓器匝比可以選擇6或者8，而AHB的匝比只能選擇4或者更小。在相同輸出功率下，AHB較大的原邊電流導致的損耗必然大于ACF變換器。

綜上所述，除了電壓應力較高之外，在相同的輸入輸出參數(shù)下，ACF要比AHB變換器具有更寬的輸入電源范圍、更大的開關頻率和更高的工作效率。此外，目前市場上所應用的高壓功率管的電壓應力大都在650V檔位。在這種情況下，AHB的電壓應力優(yōu)勢就會更加受限?；诖?，作者認為采用ACF變換器作為小功率適配器的拓撲解決方案可以獲得比AHB變換器更好的系統(tǒng)性能。