作者：GuangQi Hou，應(yīng)用工程師

摘要

有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器利用P通道MOS進(jìn)行鉗位，是公認(rèn)的高效率電源拓?fù)洹Ｔ撛O(shè)計(jì)支持將儲(chǔ)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(jìn)一步提高效率，該設(shè)計(jì)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(jì)難題，強(qiáng)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(jiǎn)介

對(duì)于有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器(ACFC)，占空比是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，會(huì)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(jì)的限制。有許多文章都說(shuō)明了最大占空比與ACFC拓?fù)渲g的關(guān)系，但討論如何設(shè)計(jì)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(duì)設(shè)計(jì)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(chǎng)工業(yè)應(yīng)用供電。ACFC拓?fù)鋷椭鷮?shí)現(xiàn)了高達(dá)91%的峰值效率。設(shè)計(jì)要求如表1所示。

表1.設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)的考慮因素和評(píng)估結(jié)果。

二次自整流電路的設(shè)計(jì)考慮

ACFC通過(guò)使用自整流電路，實(shí)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(guò)MOSFET柵極電壓工作范圍時(shí)，這個(gè)設(shè)計(jì)就不合適了。我們可以通過(guò)附加電路來(lái)產(chǎn)生這些MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。圖2為該電路的細(xì)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(kāi)關(guān)周期同步。當(dāng)柵極1輸出高電平時(shí)，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(dòng)電路

圖3.性能測(cè)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(dòng)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(jí)繞組的匝數(shù)。VGATE_MAX為MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)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(jí)環(huán)路的主開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，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(shí)，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(guò)下式計(jì)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(huì)隨輸入電壓而變化，因此必須確保柵極的驅(qū)動(dòng)電壓能夠以完整的VIN范圍驅(qū)動(dòng)MOSFET。應(yīng)用最大直流輸入和最小導(dǎo)通率時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)電壓將達(dá)到最小值。

在設(shè)計(jì)示例中，柵極2最低電壓可依照式5進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)輸入直流電壓達(dá)到最大值時(shí)，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(wú)法準(zhǔn)確工作。這可能導(dǎo)致當(dāng)輸入電壓接近最大值時(shí)，電源在沒(méi)有任何負(fù)載的情況下無(wú)法啟動(dòng)。在示例電路中，VGS閾值電壓為3 V，小于計(jì)算出的最小VGATE2。

圖4為示例電路的測(cè)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(yàn)證柵極驅(qū)動(dòng)電路計(jì)算的準(zhǔn)確性，我們對(duì)示例電路進(jìn)行了性能測(cè)試。圖5為不同負(fù)載電流（0A、0.5A、1A、1.5A）下的輸入和輸出電壓。

圖5.不同負(fù)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(fù)載下的峰值效率。當(dāng)輸入為36 V、輸出為1.5 A時(shí)，峰值效率達(dá)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(wú)負(fù)載電流的情況，圖10是滿(mǎn)負(fù)載的情況。

圖9.空載時(shí)輸出峰峰值電壓

圖10.滿(mǎn)負(fù)載1.5 A時(shí)輸出峰峰值電壓

圖11和12顯示了負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。圖11為負(fù)載從零變?yōu)闈M(mǎn)負(fù)載。圖12為負(fù)載從滿(mǎn)負(fù)載變?yōu)榱?。CH1測(cè)量的是輸出電壓（交流耦合）。CH2測(cè)量的是輸出負(fù)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(duì)ACFC的研究讓我們對(duì)其性能和效率有了重要認(rèn)識(shí)。通過(guò)分析二次整流電路的設(shè)計(jì)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(dòng)電路時(shí)，最小占空比會(huì)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(guò)本文可知，占空比存在一個(gè)最佳范圍。也就是說(shuō)，最大占空比和最小占空比對(duì)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(jì)和實(shí)施ACFC，有助于避免設(shè)計(jì)階段出現(xiàn)問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車(chē)和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2024財(cái)年收入超過(guò)90億美元，全球員工約2.4萬(wàn)人。ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.analog.com/cn。

作者簡(jiǎn)介

GuangQi Hou于2008年獲得日本慶應(yīng)義塾大學(xué)電子與電氣工程學(xué)士學(xué)位。他于2021年2月加入ADI公司。目前，他在中國(guó)技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)工作，主要負(fù)責(zé)與電量計(jì)、電源管理、工業(yè)接口、電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)的產(chǎn)品。