【導(dǎo)讀】在電源工程師歡呼有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器(ACFC)突破50%占空比限制之際，一個(gè)被長期忽視的設(shè)計(jì)陷阱正在浮現(xiàn)——最小占空比(Dmin)的精細(xì)控制已成為決定系統(tǒng)可靠性的生死線。實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)Dmin低于15%時(shí)，ACFC的開關(guān)損耗會(huì)陡增300%，電磁干擾(EMI)惡化達(dá)18dBμV。
在電源工程師歡呼有源鉗位正激轉(zhuǎn)換器(ACFC)突破50%占空比限制之際，一個(gè)被長期忽視的設(shè)計(jì)陷阱正在浮現(xiàn)——最小占空比(Dmin)的精細(xì)控制已成為決定系統(tǒng)可靠性的生死線。實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)Dmin低于15%時(shí)，ACFC的開關(guān)損耗會(huì)陡增300%，電磁干擾(EMI)惡化達(dá)18dBμV。
本文以隔離式ACFC電源為例，闡述最小占空比對設(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)的考慮因素和評估結(jié)果。
二次自整流電路的設(shè)計(jì)考慮
ACFC通過使用自整流電路，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
然而，當(dāng)輸出電壓接近或超過 MOSFET柵極電壓工作范圍時(shí)，這個(gè)設(shè)計(jì)就不合適了。我們可以通過附加電路來產(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。
圖2. 輔助繞組變壓器中的柵極驅(qū)動(dòng)電路
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3. 性能測試使用的示例電路
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)初級環(huán)路的主開關(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。
p>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)，電源在沒有任何負(fù)載的情況下無法啟動(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，我們對示例電路進(jìn)行了性能測試。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是無負(fù)載電流的情況，圖10是滿負(fù)載的情況。
圖9. 空載時(shí)輸出峰峰值電壓
圖10. 滿負(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負(fù)載。圖12為負(fù)載從滿負(fù)載變?yōu)榱恪H1測量的是輸出電壓（交流耦合）。CH2測量的是輸出負(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ACFC的研究讓我們對其性能和效率有了重要認(rèn)識。通過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。通過本文可知，占空比存在一個(gè)最佳范圍。也就是說，最大占空比和最小占空比對于基于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)問題。
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