有源钳位反激转换器如何比传统QRF运行得更快

出于多种原因，准谐振反激 (QRF) 电源转换器在 150W 或更低输出功率范围内的低功率离线应用中是一种流行的选择。QRF 转换器的元件数量很少，这意味着成本较低的材料清单。当在转换器的输出上使用同步整流器时，该拓扑可以将系统效率提高到 90% 至 91%。

为了管理传统 QRF 中的热量和功耗，工程师将其设计的最大开关频率 (f sw ) 限制在 100 kHz 以下。唯一的问题是消费者希望他们的适配器比现在更小。为了实现这一点，它需要能够以至少比目前使用的 QRF 高 2 到 3 倍的开关频率运行离线反激式转换器，以减小磁性尺寸。在本文中，我们将讨论在这些应用中使用有源钳位反激 (ACF) 转换器如何能够比传统 QRF 运行得更快、温度更低，从而能够减小离线反激应用中的磁性尺寸并使整体电源更小。

QRF 开关损耗随频率增加

QRF 转换器是一种非常高效的电源转换器，因为它具有谷底开关的能力，与传统的硬开关反激转换器相比，它具有更低的开关损耗。然而，QRF 确实具有随开关频率而增加的开关损耗 (Q 1 )，尤其是在高输入电压下。

等式 1 表示 QRF 开关节点 (V SW ) 开关损耗 (P SW(QRF) )，其中 N P /N S 是反激式转换器的变压器匝数比 (T 1，图 1 )。变量 C SW 是反激式转换器的开关节点 (V SW ) 电容。从这个方程可以看出，P SW(QRF) 将增加 f SW。

 

 

 

 

图 1：显示 RCD、二极管和有源钳位的离线反激式转换器。

无源钳位损耗随开关频率增加

传统 QRF 转换器的另一个问题是，它传统上使用二极管钳位或电阻电容二极管 (RCD) 钳位来提供电流路径，以使变压器 (T 1 ) 初级漏感 (L LK ) 断电并保护转换器的主电源。开关 (Q 1 ) 免受电气过应力和损坏。不幸的是，这些无源钳位不是免费的，它们会消耗随开关频率 (f SW ) 增加的功率 (P CLAMP )。

查看公式 2 如何计算反激无源钳位功耗 (P CLAMP )。在这个等式中，V CLAMP是 Q 1关闭 时钳位两端的电压 ，而 I P 是变压器的峰值初级电流。与开关节点损耗类似，钳位损耗也随着 f SW增加。

 

 

带有无源钳位的 QRF 中的 P CLAMP 和 P SW(QRF) 损耗对高频设计不利。如果您试图通过在更高的开关频率下运行设计来减小电源转换器的磁性尺寸，您将不得不增加 Q 1的散热器尺寸，从而损害设计的功率密度。增加的损耗会损害系统效率，并且需要为主开关和无源钳位使用更高额定功率和更昂贵的组件。这阻碍了大多数设计人员设计超过 100 kHz 的 QRF 转换器。

ACF 回收钳位能量

图 1中的有源钳位 由钳位开关 (Q C ) 和钳位电容器 (C C ) 组成，可替代 RCD 或二极管钳位。这为变压器 T 1的漏感 (L LK ) 的放电和存储提供了空间，从而保护了 Q 1 免受电气过应力的影响。由于 Q C 允许双向钳位电流 (I C )，泄漏能量可以通过反激转换器的变压器初级与次级匝数比 (N P /N S) 每个开关周期，使有源钳位接近无损耗，是 200kHz 或更高频率范围内的更高频率设计的更好选择。

ACF 可实现零电压开关

市场上有一些脉宽调制器 (PWM) 控制器设计用于有源钳位功率转换器，该转换器具有两个驱动输出用于 Q C 和 Q 1。然后，电源设计人员可以通过延迟钳位开关的关闭来利用双向电流。该延迟允许初级励磁电感 (L PM ) 反向充电，并产生足够大的负峰值初级电流 (–IP) 与开关节点电容 (C SW ) 谐振，从而实现零电压开关 ( ZVS)。

该延迟确实需要调整开关 Q 1的关断延迟，让电源转换器有时间实现 ZVS。这将需要在实验室中进行一些工作，但消除开关损耗是非常值得的。

为了实现 ZVS，L PM 中的能量需要等于 C SW中的能量。这种关系如公式 3 所示：

 

 

计算实现 ZVS 所需的负电流量可以通过从公式 3 中代数求解 I P 得出，得到公式 4：

 

 

为了简化设计过程，德州仪器开发了 UCC28780 有源反激式控制器。UCC28780 监控开关节点并将调整 Q C 关断延迟和 Q 1 开启延迟以实现 ZVS。控制器持续监控开关节点，并将在几个开关周期内调整延迟，以确保在线路电压和/或电源转换器负载发生变化时设计仍能实现 ZVS。这应该会缩短有源钳位反激式转换器的设计周期，从而进一步降低开发成本。

图 2 显示了 QRF 和 ACF 开关节点开关和变压器初级电流之间的图形比较。此波形中有注释说明了为什么 ACF 比传统的 QRF 反激式更有效。

 

 

图 2：ACF ZVS 和有源钳位与 QRF 和无源钳位。

总结

如果设计正确，ACF 控制器不仅可以回收变压器泄漏能量以消除开关节点钳位损耗，还可以实现 ZVS，消除初级开关损耗。这使设计人员能够将反激式电源转换器的开关频率从 100 kHz 推至 200 kHz 或更高，而无需增加额外的散热装置，与使用无源钳位的 QRF 相比，这使他们能够减小设计的磁性尺寸并提高功率密度。

审核编辑：汤梓红