ZHCT474 July 2019 UCC28780 , UCC28782
在標(biāo)準(zhǔn)形式的反激式轉(zhuǎn)換器中，變壓器的漏電感會在初級場效應(yīng)晶體管 (FET) 的漏極上造成電壓尖峰。為了防止該尖峰變得過大并造成損壞，F(xiàn)ET 需要用到一個鉗位網(wǎng)，并且通常會采用一個耗散鉗位，如圖 1 所示。但是，耗散鉗位中的功率損耗會限制反激式轉(zhuǎn)換器的效率。在本期電源設(shè)計小貼士中，我將考察反激式轉(zhuǎn)換器的兩個不同變體，看它們?nèi)绾问褂梅呛纳Q位方法來回收泄漏能量并提高效率。
圖 1 大多數(shù)反激式轉(zhuǎn)換器會采用一個耗散鉗位。耗散鉗位中的功率損耗與存儲在每個開關(guān)周期的漏電感中的能量有關(guān)。當(dāng) FET 導(dǎo)通，變壓器初級繞組中的電流會增至一個峰值電流值，該值由控制器決定。該峰值電流同時在初級磁化電感和漏電感中流動。當(dāng) FET 關(guān)斷，磁化能量會通過變壓器的次級繞組輸送到輸出。泄漏能量不會通過變壓器鐵芯耦合，因此會保持在初級側(cè)并流入鉗位。
必須要了解，鉗位中不僅會耗散泄漏能量，還會耗散部分磁化能量。如電源設(shè)計小貼士 17 中所述，通過對遠(yuǎn)高于反射輸出電壓的初級繞組電壓進(jìn)行鉗制，可以盡可能減少鉗位中消耗的磁化能量。
雙開關(guān)反激是反激式轉(zhuǎn)換器的常見變體，可以回收泄漏能量。圖 2 是雙開關(guān)反激的簡化原理圖。兩個初級 FET 相串聯(lián)，初級繞組位于二者之間。這兩個 FET 同時導(dǎo)通或關(guān)斷。當(dāng)它們導(dǎo)通時，初級繞組會連接到輸入并通電至峰值電流。當(dāng)它們關(guān)斷時，次級繞組會向?qū)⒋呕芰枯斔椭凛敵觯孤┠芰縿t通過 D1 和 D2 回收到輸入。通過回收泄漏能量，雙開關(guān)反激擁有比單開關(guān)耗散鉗位反激更高的效率。
圖 2 雙開關(guān)反激將泄漏能量回收到輸入。效率的提升會因兩個開關(guān)同時導(dǎo)通而一定程度上被抵消，此時導(dǎo)通損耗往往會增加，在低輸入電壓應(yīng)用中尤其如此。幸運的是，兩個 FET 的漏源電壓均鉗位至輸入電壓，因此與單開關(guān)反激相比，可以使用額定電壓較低的 FET。鉗位電壓應(yīng)力在高輸入電壓應(yīng)用中也很有益。
效率提升與漏電感和磁化電感之比有關(guān)，該比值通常約為 2%。除效率提高之外，回收泄漏能量還有其他一些益處。在高功率反激應(yīng)用（通常大于 75W）中，耗散鉗位中的損耗會造成熱管理方面的噩夢。雙開關(guān)反激完全消除了這一熱源。
這一效率提升和熱性能改進(jìn)的代價是成本和復(fù)雜性增加。不僅需要用到額外一個 FET，而且高側(cè) FET 還需要隔離式驅(qū)動器。此外，還需要設(shè)置變壓器匝數(shù)比，使反射輸出電壓小于最小輸入電壓。否則，輸出電壓將被鉗位，變壓器也不會正確復(fù)位。因此，雙開關(guān)反激自身限制為最大 50% 占空比。實際上，反射輸出電壓應(yīng)該比最小輸入電壓足夠低，以便漏電感能夠快速復(fù)位。
圖 3 ?中的電路展示了另一種回收泄漏能量的方法，但其中使用了單開關(guān)反激。這種非耗散鉗位并不新穎，但也并不廣為人知。它能夠帶來許多與雙開關(guān)反激相同的益處。
圖 3 在單開關(guān)反激中添加一個簡單的非耗散鉗位。要實現(xiàn)此鉗位，需要在變壓器的初級側(cè)添加一個鉗位繞組。此繞組的匝數(shù)必須與初級繞組相同。應(yīng)該添加一個鉗位電容器，將其連接至 FET 的漏極。鉗位電容器的另一端由二極管 D1 鉗位至輸入電壓，并由二極管 D2 鉗位至鉗位繞組。
鉗位繞組和 D2 會將鉗位電容器上的電壓限制為一個與輸入電壓相等的最大值，這一點在初級環(huán)路周圍應(yīng)用基爾霍夫電壓定律時顯而易見，如圖 4 所示。請注意，無論極性或幅值如何，兩個初級繞組電壓會相互抵消。這種方法僅適用于兩個繞組使用相同匝數(shù)的情況。
圖 4 鉗位電容器電壓受輸入電壓限制。要了解該鉗位如何工作，請考慮當(dāng) FET 關(guān)斷時會發(fā)生什么。當(dāng)初級 FET 關(guān)斷，漏電感中的電流會流經(jīng)鉗位電容器，并且將二極管 D1 正向偏置。當(dāng) D1 導(dǎo)通，漏電感上的電壓將等于輸入電壓和反射輸出電壓之間的差值。當(dāng)漏電感中的電流降為零，D1 就會關(guān)斷。輸入鉗位電容器的泄漏能量會暫時增加鉗位電容器上的電壓，使之略高于輸入電壓。當(dāng) D1 關(guān)斷，D2 鉗位會通過變壓器繞組中的耦合，將存儲的電荷有效地傳輸?shù)捷敵觥?/p>
此鉗位電路需要的元件較少，并且比雙開關(guān)反激便宜。與雙開關(guān)反激類似，它可以使效率提升幾個百分點，并消除與耗散泄漏能量相關(guān)的熱問題。這種鉗位電路也會將占空比限制為最大 50%。代價是電路需要用到更高電壓的 FET，其額定電壓必須超過輸入電壓的兩倍。與雙開關(guān)反激相比，F(xiàn)ET 漏極上的較高電壓對電磁干擾來說更可能造成挑戰(zhàn)。
有源鉗位反激是反激的另一種形式，它可以回收泄漏能量，同時能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開關(guān)。有源鉗位反激更為復(fù)雜，它需要一個專用控制器，如 UCC28780，因此值得單獨用一期電源設(shè)計小貼士來講述，因此我將它留到以后討論。下次設(shè)計高功率反激時，請考慮采用非耗散鉗位來提高效率并使電源保持低溫。