如何設(shè)計(jì)隔離反激開(kāi)關(guān)電源

現(xiàn)在從拓?fù)湟话阈杂懻摰教囟ㄍ負(fù)?，假定你熟?Buck 類(lèi)變換器，如圖 1 所示。用它代替這一類(lèi) 拓?fù)洌性诿糠N拓?fù)鋵?shí)際的困難，并圍繞這些困難解決的可能性。集中在能預(yù)先選擇最好拓?fù)?使你 不至于花費(fèi)很多時(shí)間設(shè)計(jì)和調(diào)試。

a. Buck變換器

圖 1 Buck變換器

限制

如一般考慮指出的，還要給 Buck拓?fù)漕A(yù)先增加有許多限制

1. 雖然一個(gè) Buck變換器概念上很清楚沒(méi)有變壓器，只有一個(gè) 電感，這意味著不可能具有輸入與輸出隔離。

2. Buck 僅能降低輸入電壓，如果輸入小于要求的輸出，變換 器不能工作 。

3. Buck 僅有一個(gè)輸出。如果你要由 5V 變?yōu)?3.3V，這是好的。但除非愿意加第二個(gè)后繼調(diào)節(jié)器，像線(xiàn) 性穩(wěn)壓器，你可以看到在許多多路輸出時(shí)這樣應(yīng)用的。

4. 雖然 Buck 可以工作在連續(xù)和斷續(xù)，但輸入電流總是斷續(xù)的。這意味著在晶體管截止的部分開(kāi)關(guān)周 期輸入電流下降到零。這使得輸入 EMI濾波比其它拓?fù)湫枰拇蟆?

柵極驅(qū)動(dòng)困難

Buck的驅(qū)動(dòng)十分麻煩。麻煩在于導(dǎo)通一個(gè)N-溝道MOSFET，柵極電壓至少要 5V,或許大于輸入電 壓 10V(邏輯電路輸出分別為 1V和 5V)。但是你如何產(chǎn)生一個(gè)電壓高于輸入呢?這個(gè)問(wèn)題最容易的 方法應(yīng)用P-溝道MOSFET，它正好能被柵極到地的信號(hào)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通。遺憾的是P溝道MOSFET通常導(dǎo)通 電阻RDS比N溝道大，而且價(jià)格貴。此外輸入電壓必須小于 20V，以避免擊穿柵極，應(yīng)用場(chǎng)合受到限 制。實(shí)際這樣采用P溝道MOSFET：用一個(gè)下拉電阻，你通常得不到有效導(dǎo)通柵極的足夠的開(kāi)關(guān)速度， 最終你再實(shí)驗(yàn)室折騰了幾天之后還是采用N溝道MOSFET。

除了很低輸入電壓變換器，Buck變換器總是采用 N溝道 MOSFET。

圖 2用耦合變壓器驅(qū)動(dòng) Buck變換器

圖 3 驅(qū)動(dòng) Buck變換器用浮動(dòng)電源

驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O普遍的方法是用一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)隔離變壓器將柵極與驅(qū)動(dòng)隔離開(kāi)來(lái)

隔離變壓器輸入端的電容避免當(dāng)輸入邊高電平時(shí)的直流分量。次級(jí)電容和二極管恢復(fù)電壓?jiǎn)蜗蛐?-否則在初級(jí) 12V 輸入，在次級(jí)成了±6V 驅(qū)動(dòng)。柵極電阻總是必須的(參看以后的討論)，而柵- 源電阻是放電通路：如果柵極由于某種原因停止開(kāi)關(guān)，柵極最終截止。

實(shí)際應(yīng)用：選擇柵極驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)電容至少大于柵極電容-記住此電容構(gòu)成一個(gè)帶有電容的驅(qū)動(dòng) 器，因此你可以得到 90%的驅(qū)動(dòng)電壓。

雖然此驅(qū)動(dòng)電路相當(dāng)便宜且工作得很好，它限制最大占空度，因?yàn)樽儔浩餍枰獜?fù)位時(shí)間。

用一個(gè)獨(dú)立的電源，例如用推挽變換器產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)于 MOSFET 源極的直流電壓，允許極快驅(qū)動(dòng) 柵極(圖 3)。如果推挽變換器的電源是穩(wěn)壓的，它不需要閉環(huán)，固定占空度即可。你可以用一個(gè)驅(qū) 動(dòng) IC 芯片，實(shí)現(xiàn)快速驅(qū)動(dòng) MOSFET。但此電路還有些貴(你可以用一個(gè) 555 定時(shí)器形成 50%占空 度)。

你還需要一個(gè)信號(hào)浮動(dòng)系統(tǒng)控制柵極。信號(hào)傳輸不應(yīng)當(dāng)有較大傳輸延遲，不要用像 4N48 這樣慢 速光耦。為避免另外的變壓器，即使很高輸入電壓光耦 HCPL2601 系列有很好的傳輸特性，因?yàn)樗?有優(yōu)良的 dV/dt定額。

b.反激變換器

圖 8 非隔離反激(Boost) 變換器 圖 9 隔離的反激變換器

類(lèi)型

凡是在開(kāi)關(guān)管截止時(shí)間向負(fù)載輸出能量的統(tǒng)稱(chēng)為反激變換器。有兩類(lèi)反激變換器-不隔離(圖 8)和隔離(圖 9)反激變換器。為了避免名稱(chēng)上的混淆，我們來(lái)說(shuō)明其工作原理。

我們以一定占空度導(dǎo)通反激變換器的開(kāi) 關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓加在電感上，使 得電流斜坡上升，在電感中存儲(chǔ)能量。當(dāng)開(kāi)關(guān) 斷開(kāi)時(shí)，電感電流流經(jīng)二極管并向輸出電容以 及負(fù)載供電。

隔離的反激工作原理基本相似。在開(kāi)關(guān)導(dǎo) 通時(shí)間，能量存儲(chǔ)在變壓器的初級(jí)電感中。注 意同名端‘●’端，我們看到當(dāng)開(kāi)關(guān)截止時(shí)， 漏極電壓上升到輸入電壓，引起次級(jí)對(duì)地電壓 上升，這迫使二極管導(dǎo)通，提供輸出電流到負(fù) 載和電容充電。

非隔離反激-Boost 或 Buck/Boost-只有一 個(gè)輸出(沒(méi)有方法使它多于一個(gè))，輸出與輸 入不隔離。并且 Boost 輸出不能低于輸入電壓-即使您完全關(guān)斷開(kāi)關(guān)管，輸出等于輸入電壓(減去二極管壓降)。而 Buck/Boost 僅可輸出負(fù)壓(圖 10)。換句話(huà)說(shuō)，反激僅可作為一個(gè)單線(xiàn)圈電感處理。

圖 10 用 Buck/Boost將正壓變換為負(fù)電 壓

如果變壓器有多個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈，隔離反激可有多個(gè)輸出。而 且所有輸出之間以及初級(jí)相互隔離的。而且，只要調(diào)節(jié)初級(jí)與 各次級(jí)匝比，輸出可以做成任意大小,變壓器是一個(gè)多線(xiàn)圈磁 元件。

連續(xù)和斷續(xù)

兩類(lèi)反激變換器都可以工作在電流連續(xù)和斷續(xù)。盡管一般 反激能夠沒(méi)有死負(fù)載下空載運(yùn)行。(在空載時(shí)，開(kāi)關(guān)一直關(guān) 斷，直到電容自放電降低電壓時(shí)才導(dǎo)通，給出一個(gè)單脈沖，所 謂‘脈沖跳躍’模式)。對(duì)于空載模式，變換器工作在斷續(xù)模式，如前所說(shuō)，最好不改變模式，否則 閉環(huán)穩(wěn)定困難。大多數(shù)小功率，要求快速相應(yīng)的反激變換器工作在斷續(xù)模式。

電容限制

當(dāng)反激晶體管截止時(shí)，存儲(chǔ)在初級(jí)電感中的能量從次級(jí)線(xiàn)圈釋放出來(lái)。因?yàn)榇渭?jí)沒(méi)有濾波電感， 全部峰值電流直接流入電容。在較高功率水平時(shí)，很難找到足夠處理這個(gè)紋波電流定額的電容。應(yīng)當(dāng) 記?。耗惚仨氂?jì)算電容是否能處理的有效值電流。作為例子，如果是 5V 輸出電壓，10A(這大約是反 激的最大電流，看下面)，在此功率水平下，占空度是 0.5。變壓器在周期一半的期間要傳輸整個(gè)周期 50W 功率(因?yàn)檎伎斩仁? 0.50)。所以在二極管導(dǎo)通時(shí)間傳輸?shù)碾娏骷颖?連續(xù))，次級(jí)有效值電流 為

這樣極高的電流需要許多鋁或鉭電容并聯(lián)，除非運(yùn)用昂貴的多層疊層電容。反激變換器輸出故障 主要是由于電容失效引起的。

功率限制

反激變換器通?？梢暂敵鲎畲蠊β试诘洼斎腚妷簳r(shí)大約在 50W 左右(有時(shí)或許有人告訴你他能制 造出 500W 反激變換器，但是他從不告訴你在生產(chǎn)線(xiàn)上做出來(lái))。在任何情況下，功率輸出反比于電 感量，要得到大輸出功率需要較小的電感量(在磁元件中討論)。此時(shí)你在合理的頻率得到高達(dá) 50W 輸出，電感是很小(數(shù)值上幾乎和雜散電感同數(shù)量級(jí));這幾乎不可能設(shè)計(jì)出如意的產(chǎn)品。例如磁芯 銷(xiāo)售商導(dǎo)線(xiàn)稍微變化，將引起電感變化足以使你得不到最大功率輸出。

低電壓輸入，限制反激設(shè)計(jì)少于 50W;而高電壓輸入大些。

輸出數(shù)量的實(shí)際限制

當(dāng)然，對(duì)于所有變換器，多組線(xiàn)圈繞制困難。但是，對(duì)于一個(gè)隔離的反激變換器此困難是至關(guān)重 要的。每個(gè)輸出的電壓調(diào)節(jié)與每個(gè)線(xiàn)圈的漏感有關(guān)，因?yàn)槁└袦p少了傳輸?shù)捷敵龅碾妷?。所以要得? 很好的輸出公差，漏感要小到可以忽略(幾乎不可能，因?yàn)橛袣庀?，或每個(gè)單元相同，使他們可以 補(bǔ)償?shù)?。如果你想繞多線(xiàn)圈來(lái)控制所有線(xiàn)圈的漏感幾乎是不可能的。按照設(shè)計(jì)者話(huà)說(shuō)，反激變換器 “反激比正激變換器便宜，因?yàn)樗恍枰姼小?。不幸的是在生產(chǎn)以后,銷(xiāo)售商的線(xiàn)圈離開(kāi)磁元件公 司，同時(shí)從此以后沒(méi)有人能繞這種能使電路正常工作的變壓器。

如果你需要 3~4個(gè)輸出，請(qǐng)不要采用反激變換器拓?fù)洹２捎谜ぷ儞Q器總規(guī)要便宜些。

c. 升壓和降壓

圖 11 非隔離的 Buck/Boost變換器

圖 10 雖然輸出可以大于或小于輸入電壓，但輸出是負(fù) 壓。圖 11 所示電路是一個(gè)降壓-升壓電路輸出是正壓。是升 還是將取決于輸出電壓高于還是低于輸入電壓，它們之間的轉(zhuǎn) 換時(shí)自動(dòng)區(qū)分成的，沒(méi)有間隔。

在 Buck-Boost 變換器中，兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，并同時(shí)關(guān) 斷?，F(xiàn)在考慮第一種情況，輸入電壓高于輸出電壓。上部晶體 管作為 Buck 開(kāi)關(guān)(參看圖 5)，陽(yáng)極接地二極管作為續(xù)流二 極管。因?yàn)橄虏烤w管與上部晶體管同時(shí)導(dǎo)通，整個(gè)輸入電壓 加在電感上，電流斜坡上升。當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)截止時(shí)，陽(yáng)極接地二極管導(dǎo)通，另一個(gè)二極管正激導(dǎo)通。作為 Buck變換器。

第二種情況假定輸入電壓低于輸出電壓。接地晶體管現(xiàn)在作為升壓開(kāi)關(guān)，第二個(gè)二極管作為反激 整流器。再者，兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，當(dāng)導(dǎo)通時(shí)全部輸入電壓加在電感上。按照前面說(shuō)明：在兩種情況 下，不管 Buck 還是 Boost，整個(gè)輸入電壓加在電感上。但這意味著對(duì)于兩種模式相同的控制電路，而 且變換器不在兩種模式之間轉(zhuǎn)換。所以，環(huán)路穩(wěn)定性也是一目了然。

可見(jiàn) Buck –Boost 綜合了 Buck 和 Boost 變換器。作為 Buck 變換器，它沒(méi)有輸入-輸出隔離，而 且僅有一個(gè)輸出。作為一個(gè) Boost，有一個(gè)最大實(shí)際輸出功率。而且最終除非你用兩個(gè) MOSFET 代替 兩個(gè)(肖特基)二極管做成同步整流，否則效率比較低。但是要達(dá)到同步整流需要四個(gè)輸出的驅(qū)動(dòng) (或許一個(gè)全橋 PWM IC)。還有工作在整個(gè)輸入電壓范圍和控制這個(gè)拓?fù)涞?IC的出現(xiàn)使 Buck-Boost 拓?fù)淇赡苡形Α?

d. 正激變換器

圖 12 基本正激變換器

正激變換器(圖 12)工作完全不同于電路相似的反激變換器。關(guān)鍵在于晶體管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓 加在變壓器初級(jí)，輸出二極管正偏導(dǎo)通;而反激當(dāng)晶體管截止時(shí)，二極管導(dǎo)通。因此能量不像反激那 樣存儲(chǔ)在初級(jí)電感中。變壓器是真正意義上的變壓器。當(dāng)晶體管截止時(shí)，僅存儲(chǔ)在變壓器漏感和激磁 電感能量。這將使得漏極電壓高于輸入電壓，復(fù)位磁芯。

最小負(fù)載

正激變換器是那種需要一個(gè)最小負(fù)載的變換器。濾波電感需 要足夠大，以保證它的峰值紋波電流小于最小負(fù)載電流。否則將 出現(xiàn)斷續(xù)，輸出電壓上升，峰值檢測(cè)。這意味著正激變換器不能 工作在空載狀態(tài)，因?yàn)椴荒芫哂袩o(wú)限大電感。

隨直流偏置變化的電感，像 Mpp 磁芯是一個(gè)最好的選擇。 電感量隨電流增加而減少。在最小負(fù)載時(shí)，你得到的電感較大， 保持電流連續(xù)，而在最大負(fù)載時(shí)，你仍然具有足夠的電感，而又 不太大。你允許紋波電流隨著負(fù)載電流增加而增加，以至于不必 設(shè)計(jì)的電感體積大維持最大負(fù)載的全部電感。但是應(yīng)當(dāng)注意閉環(huán) 的穩(wěn)定性。因?yàn)樽兓碾姼性斐蓚鬟f函數(shù)嚴(yán)重的非線(xiàn)性。

對(duì)付最小負(fù)載普通方法是加一個(gè)假負(fù)載永久接在輸出端，作為變換器的一部分。因此，即使外負(fù) 載為零，因?yàn)橛幸粋€(gè)維持最小功率的電阻，變換器可維持連續(xù)狀態(tài)。當(dāng)然這在外負(fù)載電流大于最小電 流時(shí)消耗了一部分功率。

當(dāng)實(shí)際負(fù)載增加時(shí)，可切斷假負(fù)載。通常，導(dǎo)致振蕩：假負(fù)載斷開(kāi)，引起變換器進(jìn)入斷續(xù)，又引 起假負(fù)載接入;而變換器連續(xù)，引起假負(fù)載斷開(kāi)，如此等等。假負(fù)載引起效率降低與采用大電感成本 比較是否合算?

激磁電感

不像反激變換器用初級(jí)電感存儲(chǔ)能量，正激實(shí)際上是寄生激磁電感。當(dāng)電流流過(guò)初級(jí)時(shí)，有能量 存儲(chǔ)在激磁電感中LmI2/2和漏感中。當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)，此能量要有去處。最簡(jiǎn)單的方法，你把它引到 RC網(wǎng)路，要么引到晶體管本身，讓它擊穿。習(xí)慣的做法在變壓器上用一個(gè)附加線(xiàn)圈恢復(fù)能量?；蛴靡? 個(gè)晶體管和電容構(gòu)成有源箝位。不管如何恢復(fù)能量，這是令人討厭的事，并降低了效率。最好的方法 是盡量漏感和增加激磁電感。

但是，變壓器設(shè)計(jì)時(shí)為盡量增加磁通密度擺幅，減少剩磁影響給磁芯加很小氣隙，這是與增大激 磁電感使矛盾的。應(yīng)當(dāng)在兩者之間折衷。

總結(jié)

因?yàn)檎ぷ儔浩鞑淮鎯?chǔ)能量，它不存在反激功率水平限制問(wèn)題。它也具有一個(gè)電感，與輸出電容 一起平滑電流。正激可直接構(gòu)成 500W 或更大功率。該拓?fù)渲饕拗迫匀皇鞘欠窨少I(mǎi)到達(dá)功率 MOSFET。增加功率轉(zhuǎn)化為增加電流，并最終 MOSFET 損耗太大。此時(shí)，采用更多 MOSFET 分擔(dān)負(fù) 載電流。高輸入電壓時(shí)可采用雙端正激，還可以輸出交錯(cuò)并聯(lián)。

e. 推挽(半橋，全橋)

圖13 電壓型推挽變換器

圖 14 電流型推挽變換器

推挽變換器拓?fù)淙鐖D 13 和 圖14 所示。有兩類(lèi)推挽變換器：電流型和電壓型。注意到它們之間的 差別主要在于電流型輸入需要一個(gè)額外的電感(有時(shí)很大)，但是不要輸出電感。而電壓型輸入沒(méi)有 大電感，輸出必須有濾波電感。

推挽兩只晶體管接地，而半橋不是。雖然上面提到有 IC 能驅(qū)動(dòng)同步整流高端晶體管，但它們?nèi)陨? 低于最大電源電壓。因?yàn)橥仆旌桶霕蚴莾蓚€(gè)晶體管，它們功率水平比單管高，常常意味著輸入電壓也 高。驅(qū)動(dòng)半橋要產(chǎn)生分離的浮動(dòng)?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)，這時(shí)而推挽肯定優(yōu)越的。

電壓型

電壓型推挽變換器如圖 13 所示。兩個(gè)晶體管加在帶有中心抽頭的變壓器上，它們相互相差 180 °交替導(dǎo)通。這并不意味著每次導(dǎo)通時(shí)間各占周期的 50%，即兩個(gè)晶體管具有相同的占空比。

如果圖 14 中晶體管T1 導(dǎo)通，T2 關(guān)斷。注意到變壓器 “●”這一端輸入電壓加在變壓器半邊，所以加在截止晶體 管漏極上的電壓為 2×Ui。晶體管T1 導(dǎo)通，則正電壓加在二 極管D1 上而導(dǎo)通，二極管D2 截止。另一個(gè)晶體管鏡像工 作，兩晶體管導(dǎo)通時(shí)間相同。如果Ui在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)是常數(shù)， 加在變壓器上伏秒總和為零，且磁芯對(duì)稱(chēng)于零變化。

這個(gè)變換器最大的問(wèn)題是晶體管電壓定額高，至少是輸 入最大電壓Ui的兩倍。如果由 120V電網(wǎng)整流的輸入供電， 并電容濾波，峰值直流電壓為 170V，晶體管至少需要 2× 170V=340V。實(shí)際上，電網(wǎng)是非?！绑a臟”的地方，因此至少需要 500V以上的晶體管。高電壓定額 意味著導(dǎo)通電阻RDson高，所以損耗高于希望值。萬(wàn)一，浪涌電壓高于 200V，這將損壞晶體管。

另一個(gè)潛在問(wèn)題是在兩個(gè)晶體管轉(zhuǎn)換應(yīng)有一個(gè)時(shí)間-死區(qū)時(shí)間。否則兩個(gè)晶體管由于關(guān)斷延遲而 造成同時(shí)導(dǎo)通，變壓器將被短路，且電流將迅速增大，僅是漏感限制此電流-這通常造成晶體管失 誤。其次晶體管必須導(dǎo)通相同時(shí)間，否則變壓器正負(fù)伏秒不平衡-磁偏移而飽和。實(shí)際中，采用電流 控制型可避免伏秒不平衡而造成的飽和。

電流型

電流型推挽變換器可以避免電網(wǎng)電壓十分敏感在電流型推 挽中排除了。因?yàn)樵谳斎腚妷汉妥儔浩髦g有一個(gè)電感。現(xiàn)在 當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，變壓器電流由電感電流控制，如圖 14 所 示。這種安排偏移偏移兩晶體管同時(shí)導(dǎo)通電感儲(chǔ)能，一個(gè)晶體 管導(dǎo)通輸出能量。變壓器類(lèi)似互感器工作。

這個(gè)變換器的不足之處是增加了一個(gè)電感。因?yàn)榇穗姼斜?須通過(guò)變換器電流，并提供足夠的感抗，在開(kāi)關(guān)周期像一個(gè)電 流源，做得很大(費(fèi)錢(qián))降低了變換器功率水平。

變壓器利用率

應(yīng)當(dāng)看到，上面討論的拓?fù)?反激，正激和 Buck/Boost)僅用了一半磁特性：磁通密度斜坡上升 到最大值，再返回到零，決不會(huì)達(dá)到負(fù)值。推挽利用磁性好些，因?yàn)榇判敬磐芏仍谡?fù)兩個(gè)方向， 這與單晶體管比較相同功率水平減少了磁芯尺寸。

f. 諧振變換器和軟開(kāi)關(guān)變換器

軟開(kāi)關(guān)的另一個(gè)名稱(chēng)是準(zhǔn)諧振變換器。

諧振和軟開(kāi)關(guān)變換器之間的差別

諧振變換器功率(電壓或電流)波形式正弦的。這通過(guò)電感和電容諧振來(lái)完成的，電容通常是寄 生參數(shù)。當(dāng)電壓或電流過(guò)零時(shí)開(kāi)關(guān)，以保證幾乎沒(méi)有損耗的開(kāi)關(guān)過(guò)渡。諧振變換器主要專(zhuān)利應(yīng)用在高 頻變換器中，這里開(kāi)關(guān)損耗勝過(guò)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通損耗。但是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)過(guò)渡取決于諧振網(wǎng)絡(luò)的頻率，實(shí)際變 換器開(kāi)關(guān)頻率是變化的，有時(shí)變化很大，與電網(wǎng)電壓和負(fù)載有關(guān)。

為何你不必采用諧振變換器

諧振變換器存在著一些問(wèn)題。這些問(wèn)題中至少有一個(gè)是開(kāi)關(guān)頻率隨負(fù)載變化。事實(shí)上，這些變換器一 般最低工作頻率發(fā)生在最大負(fù)載時(shí)，所以EMI濾波設(shè)計(jì)是最困難的也是低頻最大電流負(fù)載。這樣變換 器，包括EMI設(shè)計(jì)工作在內(nèi)，通過(guò)高頻減少體積的優(yōu)點(diǎn)喪失了。

另外，因?yàn)殡s散電容作為諧振網(wǎng)絡(luò)一部分，更嚴(yán)重的問(wèn)題發(fā)生了。由于器件之間參數(shù)分散性，這 些決策幾乎不能工作。即使相同型號(hào)的器件由于來(lái)自不同的制造廠(chǎng)也存在差別。這些不同直接影響了 工作頻率，從而影響輸出電容、EMI 濾波等等。這些器件如增加外部電容并聯(lián)，使得寄生電容的改變 相對(duì)不重要。遺憾的是這種方法增加了諧振網(wǎng)絡(luò)的周期，因此原先希望工作在高頻的愿望破壞了。

為什么你應(yīng)當(dāng)采用軟開(kāi)關(guān)變換器?

圖 15 準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)正激變換器

與諧振變換器相反，軟開(kāi)關(guān)變換器工作在固定頻率，使得濾 波要求非常明確。軟開(kāi)關(guān)諧振電容外接。因此裝置與裝置之間性 能可以再現(xiàn)。圖 15 示出了一個(gè)熟悉的標(biāo)準(zhǔn)的軟開(kāi)關(guān)正激變換 器，波形如右。

開(kāi)始，晶體管導(dǎo)通，漏極電壓為零。當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)，變壓 器初級(jí)電感與外加電容(與 MOSFET 源極-漏極電容并聯(lián)，但 外部電容設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)大于 MOSFET 電容)形成振蕩回路。在完成 振鈴半周期以后，磁芯復(fù)位。L 和 C 值決定振鈴頻率，以及磁芯 復(fù)位伏秒要求決定振鈴電壓多高。在半周期振鈴?fù)瓿梢院螅驗(yàn)? 現(xiàn)在沒(méi)有能量存儲(chǔ)在變壓器中，漏極電壓保持在輸入電壓。在晶 體管再次導(dǎo)通前，一直保持這種狀態(tài)。

這種變換器與諧振變換器主要區(qū)別是仍然保持脈寬調(diào)制，晶體管以恒頻開(kāi)關(guān)。當(dāng)然，電容和電感 仍然要小心選擇。如果它們太大，(半)周期將超過(guò)開(kāi)關(guān)周期，且磁芯不能復(fù)位。如果他們太小，在 一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)得到磁芯復(fù)位的伏秒，漏極電壓太高。雖然如此，在變換器能正常工作范圍內(nèi)，雜 散元件可以較大范圍變化。

可以開(kāi)看到，當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，電容能量消耗在 MOSFET中。如果電容足夠小，這可能不太壞。 例如，如果電容是 100pF,輸入電壓是 50V，開(kāi)關(guān)頻率是 500kHz，僅由于電容引起的損耗為

當(dāng)然，盡管有時(shí)可以借用 PWM芯片設(shè)計(jì)成同步整流，軟開(kāi)關(guān)變換器不足之處是明顯缺乏控制它 們的 IC芯片?；蛟S將來(lái)軟開(kāi)關(guān)控制 IC成為普遍應(yīng)用-那時(shí)，軟開(kāi)關(guān)將成為最好的選擇。

g. 復(fù)合變換器

圖 16 用 Buck-推挽復(fù)合達(dá)到大變比的變換器

任何兩級(jí)(在理論上可以更多)變換器串聯(lián)組成復(fù)合變換器。與兩級(jí)級(jí)聯(lián)變換器(例如 PFC+ C/DC 變換器)區(qū)別是整個(gè)兩級(jí)串聯(lián)變換器系統(tǒng)僅用一個(gè)控制回路。例如，復(fù)合變換器可能由前級(jí) Buck，由 160V 直流輸入，后繼推挽電路(圖 16 所示)與之串連。Buck 閉環(huán)產(chǎn)生近似固定電壓(如 50V)，例如推挽以固定周期降壓產(chǎn)生 5V 輸出。閉 環(huán)檢測(cè) 5V 輸出電壓，用誤差信號(hào)控制 Buck 占空 度。雖然推挽工作在開(kāi)環(huán)(因?yàn)樗怨潭ㄕ伎斩乳_(kāi) 關(guān))，但實(shí)際上推挽級(jí)等效為控制環(huán)路中的一個(gè)增益 單元(在圖 13中增益為 1/10，即-20dB。)

在兩級(jí)電路中，兩個(gè)變換器的有些元件可以分 享，就是這個(gè)例子中 Buck 變換器的輸出濾波電容也 是推挽變換器的輸入電容?？梢韵胂?，在有些電路中，電感可以分享。和諧振和軟開(kāi)關(guān)變換器一樣， 有大量變換器組合成復(fù)合變換器。不再一一列舉。

何時(shí)采用復(fù)合變換器

從以上的例子可以看到，當(dāng)你要大幅度降壓或升壓時(shí)，復(fù)合變換器是很有用的。如上所述，PWM 能得到的占空度以及你試圖得到變壓器變比有實(shí)際限制的。如果你需要電壓變化超過(guò)可能的限制，復(fù) 合變換器大大擴(kuò)展了可用的變換范圍。

當(dāng)你需要十分大的變換比(輸入與輸出電壓比)，又要求輸入輸出隔離時(shí)，可以采用復(fù)合變換 器。對(duì)于困難的設(shè)計(jì)是兩條綜合在一起，但是通過(guò)分離功能，你可以使他們很容易。例如，讓前級(jí)變換器完成電壓變換，而后級(jí)變換器完成隔離，或許用 1：1 變壓器。因?yàn)榈诙?jí)變換器總是工作在相同 輸入電壓和相同輸出電壓，它的元件在這個(gè)狀態(tài)最佳，且效率最高。的確，這種復(fù)合變換器比單級(jí)變 換器更有效，因?yàn)楸苊饬送瑫r(shí)解決大變換比和隔離的變壓器困難。