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高功率密度快充及PD適配器電源結(jié)構(gòu)（3）：GaN的優(yōu)點、幾種軟開關(guān)反激比較

時間：2021-11-29 16:42:05

關(guān)鍵字：軟開關(guān) 反激電源

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[導(dǎo)讀]1、有源箝位反激變換器和非對稱反激變換器的比較圖1：有源箝位反激變換器的電路結(jié)構(gòu)圖2：非對稱反激變換器的電路結(jié)構(gòu)（1）有源箝位反激變換器的變壓器需要儲存輸出所需的所有能量，由于輸入電壓通常在一定的范圍內(nèi)變化，因此變壓器無法工作在最優(yōu)的狀態(tài)，變壓器也無法進(jìn)行最優(yōu)化的設(shè)計。?在非對稱...

1、有源箝位反激變換器和非對稱反激變換器的比較

圖1：有源箝位反激變換器的電路結(jié)構(gòu)

圖2：非對稱反激變換器的電路結(jié)構(gòu)

（1）有源箝位反激變換器的變壓器需要儲存輸出所需的所有能量，由于輸入電壓通常在一定的范圍內(nèi)變化，因此變壓器無法工作在最優(yōu)的狀態(tài)，變壓器也無法進(jìn)行最優(yōu)化的設(shè)計。

在非對稱反激變換器中，上管導(dǎo)通時，變壓器和諧振電容同時儲存能量，當(dāng)能量從原邊向次級傳輸時，原邊串聯(lián)的諧振電容和變壓器儲存的能量，同時向輸出負(fù)載傳輸，因此，變壓器得到利用的利用，變壓器的尺寸可以顯著的減小。

（2）、有源箝位反激變換器中，當(dāng)負(fù)載降低到某一值時，系統(tǒng)會退出有源箝位的工作方式，效率會降低，同時會對次級整流管產(chǎn)生高的電壓應(yīng)力。

非對稱反激變換器可以在更寬的負(fù)載范圍內(nèi)，工作在軟開關(guān)模式，因此在較輕的負(fù)載條件下可以獲得更高的效率。

（3）、有源箝位反激變換器的箝位電容不在主功率回路，流過的電流小，因此可以使用價格便宜的高壓陶瓷電容。

非對稱反激變換器的諧振電容位于主功率回路，流過的電流大，因此要使用高頻特性比較好、通過電流大的CBB或X1高壓電容。

2、軟開關(guān)ZVS反激變換器使用GaN的優(yōu)點

有源箝位反激變換器和非對稱反激變換器這二種結(jié)構(gòu)使用GaN功率管，相比于超結(jié)的高壓功率MOSFET，在高頻軟開關(guān)工作時，具有更高的效率，因此更有優(yōu)勢：

圖3：E-Mode GaN結(jié)構(gòu)

（1）、GaN的Ciss非常小，驅(qū)動損耗非常小，提高高頻工作的效率。

（2）、GaN的Coss 及Qoss非常小，要求實現(xiàn)ZVS開通所需要的激磁電流小，這樣就減小系統(tǒng)的環(huán)流，從而降低在功率MOSFET和變壓器中產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗，同時也可以減小變壓器磁芯的損耗。

（3）、GaN的Crss小，關(guān)斷時產(chǎn)生的開關(guān)損耗小。

（4）、高頻ZVS工作時，GaN的Coss充放電產(chǎn)生的損耗明顯低于超結(jié)的高壓功率MOSFET。

（5）、超結(jié)的高壓功率MOSFET的Coss的非線性特性，在低壓時會突然急劇增加，因此在設(shè)計時需要有更長的死區(qū)時間，從而降低了系統(tǒng)效率。

（6）、有源箝位反激變換器使用GaN同時采用次級同步整流，在原邊和次級繞組換流過程中，變壓器的原邊電流下跌凹坑更大，因此可以減小上管的導(dǎo)通損耗以及變壓器原邊繞組的導(dǎo)通損耗，從而提高效率。

（a）超結(jié)高壓MOS

（b）高壓GaN

圖4：有源箝位反激工作波形

3、電流反灌其它電路結(jié)構(gòu)

電流反灌可以使用次級輸出繞組、也可以使用輔助繞組實現(xiàn)原邊主開關(guān)的零電壓ZVS工作，控制的方法可以使用臨界模式，也可以使用非連續(xù)模式。臨界模式的工作過程以前的文章進(jìn)行過詳細(xì)的論述，非連續(xù)模式的工作原理如圖5所示。

在主開關(guān)管開通前，先開通輔助繞組的開關(guān)管，輔助電源對輔助繞組進(jìn)行電流反灌，將能量儲存在變壓器中；輔助繞組的開關(guān)管關(guān)斷后，變壓器儲存的能量抽取主開關(guān)管COSS的能量，COSS放電電壓降低，直到其內(nèi)部體二極管導(dǎo)通，這時候開通主開關(guān)管，就能實現(xiàn)零電壓開通ZVS。

（a）電路結(jié)構(gòu)

（b）工作波形

圖5：使用輔助繞組電流反灌的電路結(jié)構(gòu)和波形

電流反灌實現(xiàn)ZVS軟開關(guān)的反激變換器結(jié)構(gòu)具有簡單、不需要高壓浮動驅(qū)動、成本低的優(yōu)點，缺點是對反灌電流很難實現(xiàn)精確控制，反灌電流太小，無法實現(xiàn)主功率管的ZVS軟開關(guān)；反灌電流太大，產(chǎn)生大的環(huán)流和導(dǎo)通損耗，影響效率。

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