在反激式轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)形式中，變壓器的漏感會在初級場效應(yīng)晶體管 (FET) 的漏極上產(chǎn)生電壓尖峰。為了防止該尖峰變得過度和損壞，F(xiàn)ET 需要一個鉗位網(wǎng)絡(luò)，通常帶有耗散鉗位，如圖1所示。但耗散鉗位中的功率損耗限制了反激式轉(zhuǎn)換器的效率。在本電源技巧中，我將研究反激式轉(zhuǎn)換器的兩種不同變體，它們使用非耗散鉗位技術(shù)來回收泄漏能量并提高效率。
圖 1 大多數(shù)反激式轉(zhuǎn)換器都采用耗散鉗位。
耗散鉗位中的功率損耗與每個開關(guān)周期的漏感中存儲的能量有關(guān)。當(dāng) FET 導(dǎo)通時，變壓器初級繞組中的電流增加至控制器確定的峰值電流值。該峰值電流在初級磁化電感和漏電感中流動。當(dāng) FET 關(guān)閉時，磁化能量通過變壓器的次級繞組傳遞到輸出。泄漏能量不通過變壓器鐵芯耦合，因此它保留在初級側(cè)并流入鉗位器。
重要的是要了解，泄漏能量不僅會在鉗位中消散，而且還會在鉗位中消散。磁化能量的一部分也是如此。將初級繞組電壓鉗位為遠(yuǎn)高于反射輸出電壓可以最大限度地減少鉗位中消耗的磁化能量。
雙開關(guān)反激式是反激式轉(zhuǎn)換器的常見變體，可回收泄漏能量。圖 2 是雙開關(guān)反激式的簡化原理圖。兩個初級 FET 串聯(lián)連接，初級繞組位于它們之間。這兩個 FET 同時導(dǎo)通或截止。當(dāng)它們打開時，初級繞組連接到輸入并通電至峰值電流。當(dāng)它們關(guān)閉時，次級繞組將磁化能量傳遞到輸出，泄漏能量通過 D1 和 D2 回收回輸入。通過回收泄漏能量，雙開關(guān)反激式比單開關(guān)耗散鉗位同類產(chǎn)品具有更高的效率。
圖 2雙開關(guān)反激式將泄漏能量回收至輸入。
兩個開關(guān)同時導(dǎo)通的事實在一定程度上抵消了所獲得的效率，因此傳導(dǎo)損耗往往會增加，特別是在低輸入電壓應(yīng)用中。幸運(yùn)的是，兩個 FET 的漏極至源極電壓均鉗位至輸入電壓，因此與單開關(guān)反激式相比，您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)用中也具有優(yōu)勢。
效率增益與漏感與磁化電感之比有關(guān)，通常約為 2%。回收泄漏能量除了提高效率之外還有其他好處。在高功率反激式應(yīng)用(通常大于 75W)中，耗散鉗位中的損耗可能會造成熱管理噩夢。雙開關(guān)反激式完全消除了這種熱源。
更高的效率和改進(jìn)的熱性能的代價是成本和復(fù)雜性的增加。不僅需要額外的 FET;高側(cè) FET 的隔離驅(qū)動器也是如此。此外，需要設(shè)置變壓器匝數(shù)比，以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，變壓器將無法正確復(fù)位。因此，雙開關(guān)反激式固有地限制在最大 50% 占空比。實際上，反射輸出電壓應(yīng)充分低于最小輸入電壓，以允許漏感快速復(fù)位。
圖 3中的電路 顯示了回收泄漏能量的另一種方法，但使用單開關(guān)反激式。這種非耗散鉗位并不新鮮，但也不是眾所周知。然而，它提供了許多與兩開關(guān)反激式相同的優(yōu)點(diǎn)。
圖 3 添加到單開關(guān)反激式的簡單非耗散鉗位。
實現(xiàn)該鉗位需要在變壓器的初級側(cè)添加鉗位繞組。該繞組必須具有與初級繞組相同的匝數(shù)。添加了一個鉗位電容器，連接到 FET 的漏極。鉗位電容器的另一端通過二極管 D1 鉗位至輸入電壓，并通過二極管 D2 鉗位至鉗位繞組。
鉗位繞組和 D2 將鉗位電容器兩端的電壓限制為等于輸入電壓的最大值，這在初級環(huán)路應(yīng)用基爾霍夫電壓定律時很明顯，如圖4所示。請注意，無論極性或大小如何，兩個初級繞組電壓都會相互抵消。此方法僅在兩個繞組使用相同匝數(shù)時才有效。
圖 4 鉗位電容器電壓受輸入電壓限制。
要了解該鉗位的工作原理，請考慮 FET 關(guān)閉時會發(fā)生什么情況。當(dāng)初級 FET 關(guān)閉時，漏感中的電流流經(jīng)鉗位電容器和正向偏置二極管 D1。當(dāng) D1 導(dǎo)通時，漏感兩端的電壓等于輸入電壓與反射輸出電壓之間的差值。一旦漏感中的電流降至零，D1 就會關(guān)閉。傳遞到鉗位電容器的泄漏能量暫時使鉗位電容器上的電壓升高到略高于輸入電壓。當(dāng) D1 關(guān)閉時，D2 鉗位器通過變壓器繞組中的耦合有效地將存儲的電荷傳輸?shù)捷敵觥?
該鉗位電路需要的元件更少，并且比雙開關(guān)反激式電路更便宜。就像雙開關(guān)反激式一樣，它可以將效率提高幾個百分點(diǎn)，并消除與耗散泄漏能量相關(guān)的熱問題。該鉗位電路還將占空比限制為最大值 50%。代價是該電路需要更高電壓的 FET，其額定電壓必須是輸入電壓的兩倍以上。與雙開關(guān)反激式相比，F(xiàn)ET 漏極上的較高電壓也可能帶來更多的電磁干擾挑戰(zhàn)。
有源鉗位反激式是反激式的另一種形式，它可以回收泄漏能量，同時可以提供零電壓開關(guān)。有源鉗位反激更復(fù)雜，需要專門的控制器，例如 UCC28780，使其值得擁有自己的電源提示，因此我將在以后討論。下次設(shè)計高功率反激式時，請考慮使用非耗散鉗位來提高效率并保持電源涼爽。
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