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高功率密度快充及PD適配器電源結(jié)構(gòu)（3）：GaN的優(yōu)點(diǎn)、幾種軟開(kāi)關(guān)反激比較

時(shí)間：2021-11-29 16:42:05
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[導(dǎo)讀]1、有源箝位反激變換器和非對(duì)稱(chēng)反激變換器的比較圖1：有源箝位反激變換器的電路結(jié)構(gòu)圖2：非對(duì)稱(chēng)反激變換器的電路結(jié)構(gòu)（1）有源箝位反激變換器的變壓器需要儲(chǔ)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(nèi)變化，因此變壓器無(wú)法工作在最優(yōu)的狀態(tài)，變壓器也無(wú)法進(jìn)行最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。?在非對(duì)稱(chēng)...




1、有源箝位反激變換器和非對(duì)稱(chēng)反激變換器的比較





圖1：有源箝位反激變換器的電路結(jié)構(gòu)






圖2：非對(duì)稱(chēng)反激變換器的電路結(jié)構(gòu)




（1）有源箝位反激變換器的變壓器需要儲(chǔ)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(nèi)變化，因此變壓器無(wú)法工作在最優(yōu)的狀態(tài)，變壓器也無(wú)法進(jìn)行最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。



在非對(duì)稱(chēng)反激變換器中，上管導(dǎo)通時(shí)，變壓器和諧振電容同時(shí)儲(chǔ)存能量，當(dāng)能量從原邊向次級(jí)傳輸時(shí)，原邊串聯(lián)的諧振電容和變壓器儲(chǔ)存的能量，同時(shí)向輸出負(fù)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(dāng)負(fù)載降低到某一值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)退出有源箝位的工作方式，效率會(huì)降低，同時(shí)會(huì)對(duì)次級(jí)整流管產(chǎn)生高的電壓應(yīng)力。



非對(duì)稱(chēng)反激變換器可以在更寬的負(fù)載范圍內(nèi)，工作在軟開(kāi)關(guān)模式，因此在較輕的負(fù)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(guò)的電流小，因此可以使用價(jià)格便宜的高壓陶瓷電容。



非對(duì)稱(chēng)反激變換器的諧振電容位于主功率回路，流過(guò)的電流大，因此要使用高頻特性比較好、通過(guò)電流大的CBB或X1高壓電容。




2、軟開(kāi)關(guān)ZVS反激變換器使用GaN的優(yōu)點(diǎn)




有源箝位反激變換器和非對(duì)稱(chēng)反激變換器這二種結(jié)構(gòu)使用GaN功率管，相比于超結(jié)的高壓功率MOSFET，在高頻軟開(kāi)關(guān)工作時(shí)，具有更高的效率，因此更有優(yōu)勢(shì)：





圖3：E-Mode GaN結(jié)構(gòu)




（1）、GaN的Ciss非常小，驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)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(chǎn)生的導(dǎo)通損耗，同時(shí)也可以減小變壓器磁芯的損耗。




（3）、GaN的Crss小，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗小。




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




（5）、超結(jié)的高壓功率MOSFET的Coss的非線性特性，在低壓時(shí)會(huì)突然急劇增加，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要有更長(zhǎng)的死區(qū)時(shí)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(shí)采用次級(jí)同步整流，在原邊和次級(jí)繞組換流過(guò)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(dǎo)通損耗以及變壓器原邊繞組的導(dǎo)通損耗，從而提高效率。






（a）超結(jié)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(jié)構(gòu)




電流反灌可以使用次級(jí)輸出繞組、也可以使用輔助繞組實(shí)現(xiàn)原邊主開(kāi)關(guān)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(guò)程以前的文章進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的論述，非連續(xù)模式的工作原理如圖5所示。




在主開(kāi)關(guān)管開(kāi)通前，先開(kāi)通輔助繞組的開(kāi)關(guān)管，輔助電源對(duì)輔助繞組進(jìn)行電流反灌，將能量?jī)?chǔ)存在變壓器中；輔助繞組的開(kāi)關(guān)管關(guān)斷后，變壓器儲(chǔ)存的能量抽取主開(kāi)關(guān)管COSS的能量，COSS放電電壓降低，直到其內(nèi)部體二極管導(dǎo)通，這時(shí)候開(kāi)通主開(kāi)關(guān)管，就能實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通ZVS。


（a）電路結(jié)構(gòu)




（b）工作波形


圖5：使用輔助繞組電流反灌的電路結(jié)構(gòu)和波形




電流反灌實(shí)現(xiàn)ZVS軟開(kāi)關(guān)的反激變換器結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)單、不需要高壓浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)、成本低的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是對(duì)反灌電流很難實(shí)現(xiàn)精確控制，反灌電流太小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)主功率管的ZVS軟開(kāi)關(guān)；反灌電流太大，產(chǎn)生大的環(huán)流和導(dǎo)通損耗，影響效率。



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