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

時間：2021-11-29 16:42:05
關鍵字： 軟開關    反激    電源   
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[導讀]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構圖2：非對稱反激變換器的電路結構（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)，變壓器也無法進行最優(yōu)化的設計。?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構






圖2：非對稱反激變換器的電路結構




（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)，變壓器也無法進行最優(yōu)化的設計。



在非對稱反激變換器中，上管導通時，變壓器和諧振電容同時儲存能量，當能量從原邊向次級傳輸時，原邊串聯的諧振電容和變壓器儲存的能量，同時向輸出負載傳輸，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，當負載降低到某一值時，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生高的電壓應力。



非對稱反激變換器可以在更寬的負載范圍內，工作在軟開關模式，因此在較輕的負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構使用GaN功率管，相比于超結的高壓功率MOSFET，在高頻軟開關工作時，具有更高的效率，因此更有優(yōu)勢：





圖3：E-Mode GaN結構




（1）、GaN的Ciss非常小，驅動損耗非常小，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和變壓器中產生的導通損耗，同時也可以減小變壓器磁芯的損耗。




（3）、GaN的Crss小，關斷時產生的開關損耗小。




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




（5）、超結的高壓功率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通損耗以及變壓器原邊繞組的導通損耗，從而提高效率。






（a）超結高壓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構




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原邊主開關的零電壓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行過詳細的論述，非連續(xù)模式的工作原理如圖5所示。




在主開關管開通前，先開通輔助繞組的開關管，輔助電源對輔助繞組進行電流反灌，將能量儲存在變壓器中；輔助繞組的開關管關斷后，變壓器儲存的能量抽取主開關管COSS的能量，COSS放電電壓降低，直到其內部體二極管導通，這時候開通主開關管，就能實現零電壓開通ZVS。


（a）電路結構




（b）工作波形


圖5：使用輔助繞組電流反灌的電路結構和波形




電流反灌實現ZVS軟開關的反激變換器結構具有簡單、不需要高壓浮動驅動、成本低的優(yōu)點，缺點是對反灌電流很難實現精確控制，反灌電流太小，無法實現主功率管的ZVS軟開關；反灌電流太大，產生大的環(huán)流和導通損耗，影響效率。



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