雙管正激變換器為何被視為最可靠的轉(zhuǎn)換器之一

文章作者簡(jiǎn)介：

Sanjay Havanur：Vishay公司任系統(tǒng)應(yīng)用高級(jí)經(jīng)理。IEEE會(huì)員，在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域有七項(xiàng)專利，發(fā)表過多篇論文。Havanur先生擁有印度理工學(xué)院的電氣工程學(xué)士學(xué)位和電力電子碩士學(xué)位。

Philip Zuk：Vishay公司任高壓MOSFET事業(yè)部的市場(chǎng)發(fā)展總監(jiān)。RF領(lǐng)域有兩項(xiàng)專利，發(fā)表過多篇論文。Zuk先生擁有加拿大紅河學(xué)院畢業(yè)文憑以及曼尼托巴大學(xué)的電氣工程學(xué)士學(xué)位和工商管理碩士學(xué)位。

文章邊欄

雙管正激變換器得到廣泛應(yīng)用，并被視為最可靠的轉(zhuǎn)換器之一。該拓?fù)湟驗(yàn)樵S多原因而得到許多設(shè)計(jì)工程師的推崇。

-無死區(qū)時(shí)間要求，無直通機(jī)會(huì)

-任何情況下均無MOSFET體二極管導(dǎo)通

-不需要電阻電容緩沖電路

-MOSFET電壓應(yīng)力以最大供電電壓為極限

-在寬輸入電壓范圍和負(fù)載條件下的工作簡(jiǎn)單性

-處理多個(gè)隔離輸出的能力

變換器的幾個(gè)缺點(diǎn)是：

-由于沒有零電壓開關(guān)能力（ZVS），其工作頻率受限

-需要兩個(gè)晶體管 和兩個(gè)快速恢復(fù)二極管

-作為單端轉(zhuǎn)換器，它需要更大的變壓器和輸出電感器

雙管正激變換器

雙管正激變換器非常受150W - 750W ATX電源 / 銀盒的歡迎，還與零電壓開關(guān)（ZVS）LLC拓?fù)浯嬖诟?jìng)爭(zhēng)關(guān)系。它是一種硬開關(guān)拓?fù)淝也辉赯VS模式下工作。但正因?yàn)槿绱耍峁┝藳]有體二極管導(dǎo)通的優(yōu)點(diǎn)。MOSFET的輸入電壓是功率因數(shù)校正（PFC）變換器的輸出電壓，輸出功率 ≥ 65W的任何電源都需要配備該（PFC）變換器。該（PFC）電壓的典型值為380V - 400V。在關(guān)斷期間，MOSFET會(huì)有來自泄漏感應(yīng)能量的附加電壓尖鋒，盡管是經(jīng)過快速恢復(fù)二極管箝位的。

基本工作如下：圖1a顯示了晶體管Q1和Q2，二者一起打開將能量從變壓器一次側(cè)傳送到二次側(cè)。在二次側(cè)，正向整流二極管導(dǎo)電，將能量傳送到輸出濾波器和負(fù)載。

當(dāng)晶體管Q1和Q2關(guān)斷時(shí)，變壓器勵(lì)磁電流流經(jīng)現(xiàn)在正向偏置的二極管D1和D2并流回電源，如圖1b所示。這兩個(gè)二極管持續(xù)導(dǎo)電，直至一次側(cè)的全部勵(lì)磁能量和儲(chǔ)存在漏電感中的能量返回輸入電源。因?yàn)槎O管D1和D2負(fù)責(zé)箝制電壓尖峰于輸入電壓，所以無需緩沖電路。超出輸入電壓的任何過沖都需要以合適的電路布局加以管理，以最大限度減小雜散電感。在二次側(cè)，續(xù)流二極管如圖導(dǎo)電，將輸出感應(yīng)器能量傳送給負(fù)載。

在一次側(cè)的關(guān)斷周期內(nèi)，當(dāng)其ON時(shí)間短于OFF時(shí)間（工作周期小于50%）時(shí)實(shí)現(xiàn)的變壓器復(fù)位。換言之，一次繞組本身充當(dāng)復(fù)位繞組。OFF時(shí)間長(zhǎng)于ON時(shí)間一定會(huì)復(fù)位變壓器。

圖1a：工作的能量傳送級(jí)

圖1b：電能從輸出電容流到電力負(fù)載

雙管正激變換器與PFC轉(zhuǎn)換器的對(duì)比、FOM和功率損耗

圖2比較了雙管正激變換器與PFC前端轉(zhuǎn)換器在400W中的功率損耗。雙開關(guān)正向轉(zhuǎn)換器中的MOSFET攜帶一半電流，并以兩倍頻率（通常為125kHz對(duì)65kHz）進(jìn)行切換。由于這一頻率加倍，開關(guān)損耗成為整體品質(zhì)因數(shù)（FOM） 和功率損耗測(cè)量中的一個(gè)更主要因素。

圖2：PFC轉(zhuǎn)換器與雙管正激變換器對(duì)比

為進(jìn)一步加以說明，不妨考慮一個(gè)最大功率損耗為8W的TO-220 / TO-220F器件。假設(shè)這是對(duì)PFC應(yīng)用的最優(yōu)選擇。最優(yōu)的意思是導(dǎo)通損耗為額定功率下總損耗的40% - 50%。這也會(huì)是雙開關(guān)轉(zhuǎn)換器的最優(yōu)解嗎？答案當(dāng)然不是。在雙開關(guān)拓?fù)渲?，Coss/Qoss和Qsw對(duì)總損耗的貢獻(xiàn)約為87%，其余為導(dǎo)通損耗。導(dǎo)電損耗與開關(guān)損耗之間這種不均衡對(duì)效率和成本非常不利。導(dǎo)通損耗小于單開關(guān)PFC轉(zhuǎn)換器情況的原因是，所使用的每個(gè)MOSFET具有單開關(guān)PFC電路的一半電流，同時(shí)以兩倍頻率進(jìn)行切換。

任何開關(guān)電路都有兩種開關(guān)損耗。第一種由于接通和關(guān)斷期間發(fā)生的Vds x Ids交接而產(chǎn)生的損耗。這些損耗用所謂“Qsw”來衡量，它是Qgd和Qgs的組合，代表MOSFET的有效開關(guān)電荷。開關(guān)損耗是負(fù)載和開關(guān)頻率的函數(shù)。

第二種開關(guān)損耗與MOSFET輸出電容Coss的充放電有關(guān)。在ATX電源中，流行的雙開關(guān)正向轉(zhuǎn)換器緊跟具有約400V輸入電壓。因此，輸出電容Cos開關(guān)損耗是總損耗的一大部分。器件的Coss / Qoss是一個(gè)非常重要的損耗，特別是在輕負(fù)載情況下開關(guān)損耗超過導(dǎo)電損耗。該損耗基本與負(fù)載和Qsw無關(guān)，在選擇合適MOSFET時(shí)需要連同Qsw一起予以考慮。與特定應(yīng)用有關(guān)的基于損耗貢獻(xiàn)的FOM為：

高壓MOSFET的Coss隨著所施加的VDS的不同而有相當(dāng)大的差異。該差異對(duì)高壓超結(jié)功率MOSFET（圖3a）比對(duì)平面式（圖3b）顯著更大。為說明輸出電容器的非線性，可用Poss = ? Co（er）x V2 x Fsw作為近似的損耗公式。（Co（er）是等效電容，它和Coss具有相同的損耗，而通常Coss包含于規(guī)格書中）。需要指出的是，與輸出電容相關(guān)的損耗（在任何高壓拓?fù)渲卸际强倱p耗公式的一個(gè)重要組成部分）在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FOM=RDS（on）（typ）x Qg（typ）中并未得到考慮。但它們對(duì)本分析中使用的與特定應(yīng)用相關(guān)的FOM（用于器件選型）是必不可少的。

圖3a：超結(jié)技術(shù)電容曲線

圖3b：平面技術(shù)電容曲線

在牢記這個(gè)要求的情況下，我們提出了一個(gè)元件列表，我們覺得其中的元件將在典型工作條件下實(shí)現(xiàn)雙管正激變換器的最高效率，以確保實(shí)現(xiàn)最高效的設(shè)計(jì)。每個(gè)MOSFET都有小于總轉(zhuǎn)換器損耗的0.5%的目標(biāo)損耗。因此對(duì)于400W ATX電源，損耗不會(huì)超過每個(gè)器件2W。表1說明了此類電源的假設(shè)工作條件。

表1：雙管正激變換器設(shè)計(jì)條件

“X” 是代表封裝的型號(hào)。對(duì)于同樣的電氣特征集，有大量封裝選項(xiàng)可供選擇。所使用的封裝將取決于功率級(jí)以及實(shí)際允許什么樣封裝的MOSFET。

圖4定義了不同產(chǎn)品代碼下的封裝、電流額定值、電壓及器件技術(shù)[1] 。

圖4：產(chǎn)品代碼定義

由于提供許多封裝選項(xiàng)，所以表2列出了采用不同封裝的產(chǎn)品的推薦最大功率額定值。

表2：基于封裝類型的最大功率值

表3顯示了不同功率值的相應(yīng)器件，包括設(shè)計(jì)條件、器件代號(hào)理解和基于封裝的最大推薦值。

該表列示了許多不同器件。根據(jù)我們更關(guān)心的是電壓、效率還是價(jià)格，我們可挑選最適合自己應(yīng)用要求的器件。

表3：基于PFC輸出功率值的器件選型工具

注：帶“x”的器件可使用多種封裝；500V器件采用傳統(tǒng)平面技術(shù)，而600V和650V提供超結(jié)技術(shù)。

文章注釋：

1：定義：Vishay高壓MOSFET產(chǎn)品代碼：SiHxDDNFFG

2：這是我們的首款500V超結(jié)器件，將于2014年第2季度進(jìn)行樣品試制

3：如果需要較低成本解決方案，可選擇SiHx7N60E，因?yàn)樾阅軕?yīng)當(dāng)相似

4：如果需要較低成本解決方案，可選擇SiHx6N65E，因?yàn)樾阅軕?yīng)當(dāng)相似

原文標(biāo)題：雙管正激變換器：工作原理、FOM及器件選型指南

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