摘要

有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器利用P通道MOS進行鉗位，是公認的高效率電源拓撲。該設(shè)計支持將儲存的電感能量反饋到電網(wǎng)，從而提高整體轉(zhuǎn)換器效率。為了進一步提高效率，該設(shè)計還集成了基于MOSFET的二次自整流電路。本文探討了二次整流電路面臨的設(shè)計難題，強調(diào)了優(yōu)化占空比的重要性。值得注意的是，有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器中采用了廣泛的電源技術(shù)，本文僅介紹了其中一種。

簡介

對于有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器(ACFC)，占空比是一個關(guān)鍵參數(shù)，會影響輸出電壓和效率。通常，正激轉(zhuǎn)換器的最大占空比以50%為限。采用有源鉗位技術(shù)，占空比可以高于50%，超越傳統(tǒng)設(shè)計的限制。有許多文章都說明了最大占空比與ACFC拓撲之間的關(guān)系，但討論如何設(shè)計最小占空比的文章并不多。

本文以隔離式ACFC電源為例，闡述最小占空比對設(shè)計的影響。該轉(zhuǎn)換器用于將輸入24 VAC或48 ~ 60 VDC，轉(zhuǎn)化為15VDC，1.5 A輸出。其隔離特性使其適合為現(xiàn)場工業(yè)應(yīng)用供電。ACFC拓撲幫助實現(xiàn)了高達91%的峰值效率。設(shè)計要求如表1所示。

表1.設(shè)計要求

ADI公司的MAX17598是有源鉗位電流模式PWM控制器，其中包含隔離正激轉(zhuǎn)換器電源設(shè)計所需的所有控制電路。本文深入探討了二次自整流電路設(shè)計的考慮因素和評估結(jié)果。

二次自整流電路的設(shè)計考慮

ACFC通過使用自整流電路，實現(xiàn)了更高的效率。圖1為基于MOSFET的典型自整流電路原理圖。與傳統(tǒng)的二極管整流電路相比，MOSFET的導(dǎo)通電阻更低，所以其電路效率更高，尤其是在低電壓、大電流輸出的情況下。

圖1.通用輸出自整流電路1

然而，當(dāng)輸出電壓接近或超過MOSFET柵極電壓工作范圍時，這個設(shè)計就不合適了。我們可以通過附加電路來產(chǎn)生這些MOSFET的柵極驅(qū)動電壓。圖2為該電路的細節(jié)信息。G1和G2連接到變壓器的輔助繞組。

柵極1連接到N2的柵極(如圖1所示)，柵極2連接到N1的柵極。柵極1和柵極2與開關(guān)周期同步。當(dāng)柵極1輸出高電平時，柵極2輸出低電平，反之亦然。完整電路如圖3所示。

圖2.輔助繞組變壓器中的柵極驅(qū)動電路

圖3.性能測試使用的示例電路

該環(huán)路必須確保輸出處于MOSFET VGS的工作范圍內(nèi)。公式1反映了柵極驅(qū)動電壓與匝數(shù)比之間的關(guān)系。

KGATE為變壓器比率。NG為變壓器繞組的匝數(shù)。NP為變壓器初級繞組的匝數(shù)。VGATE_MAX為MOSFET柵極驅(qū)動電壓的最大電壓。VDC_MAX為直流輸入電壓的最大電壓。

當(dāng)初級環(huán)路的主開關(guān)閉合時，施加于變壓器的電壓為正，即VDC。因此，柵極1的輸出為高電平，柵極2的輸出為GND。它與匝數(shù)比和直流輸入電壓有關(guān)。

當(dāng)主MOSFET關(guān)斷時，鉗位電路將漏極電壓限制為VCLAMP。VCLAMP高于VDC，因此柵極1的輸出為GND，而柵極2的輸出為高電平。

鉗位電壓可通過下式計算：

柵極2的電壓與匝數(shù)比以及VCLAMP和VDCINPUT之間的差距有關(guān)。

占空比會隨輸入電壓而變化，因此必須確保柵極的驅(qū)動電壓能夠以完整的VIN范圍驅(qū)動MOSFET。應(yīng)用最大直流輸入和最小導(dǎo)通率時，柵極驅(qū)動電壓將達到最小值。

在設(shè)計示例中，柵極2最低電壓可依照式5進行計算。當(dāng)輸入直流電壓達到最大值時，柵極2上的電壓只有4.23 V。

如果該電壓低于VGS導(dǎo)通閾值，則二次整流電路的MOSFET將無法準確工作。這可能導(dǎo)致當(dāng)輸入電壓接近最大值時，電源在沒有任何負載的情況下無法啟動。在示例電路中，VGS閾值電壓為3 V，小于計算出的最小VGATE2。

圖4為示例電路的測量結(jié)果。CH1為柵極1的電壓。CH2為柵極2的電壓。CH4為主面N-MOS的源漏電壓。

圖4.柵極1和柵極2電壓以及MOSFET漏極電壓(VIN = 60 V)

示例電路的性能

為了驗證柵極驅(qū)動電路計算的準確性，我們對示例電路進行了性能測試。圖5為不同負載電流(0A、0.5A、1A、1.5A)下的輸入和輸出電壓。

圖5.不同負載下的輸入和輸出電壓

圖6顯示了輸出電壓水平如何隨輸出電流不同而變化。不同的線表示不同的輸入電壓。

圖6.輸出電流和輸出電壓

圖7為不同輸入電壓和負載下的峰值效率。當(dāng)輸入為36 V、輸出為1.5 A時，峰值效率達到91%。

圖7.峰值效率

波特圖顯示了峰值效率工作條件下的環(huán)路穩(wěn)定性，即VDCINPUT = 36 V、IOUTPUT = 1.5 A。

圖8顯示了環(huán)路響應(yīng)。

圖8.波特圖

圖9和圖10顯示了輸出峰峰值電壓。圖9是無負載電流的情況，圖10是滿負載的情況。

圖9.空載時輸出峰峰值電壓

圖10.滿負載1.5 A時輸出峰峰值電壓

圖11和12顯示了負載瞬態(tài)響應(yīng)。圖11為負載從零變?yōu)闈M負載。圖12為負載從滿負載變?yōu)榱?。CH1測量的是輸出電壓(交流耦合)。CH2測量的是輸出負載電流。

圖11.瞬態(tài)響應(yīng)(0 A至1.5 A)

圖12.瞬態(tài)響應(yīng)(1.5 A至0 A)

結(jié)論

綜上所述，對ACFC的研究讓我們對其性能和效率有了重要認識。通過分析二次整流電路的設(shè)計以及占空比的影響，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)需要額外的輔助柵極驅(qū)動電路時，最小占空比會受到限制。

此外，ACFC憑借其出色的能量回收特性，成為了有前景的高效電源系統(tǒng)解決方案。通過本文可知，占空比存在一個最佳范圍。也就是說，最大占空比和最小占空比對于基于MOSFET的整流電路都很重要。

將本研究的成果應(yīng)用于設(shè)計和實施ACFC，有助于避免設(shè)計階段出現(xiàn)問題。

參考文獻

1 “利用峰值電流模式控制器設(shè)計有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器”。ADI公司，2014年8月。