如何用非耗散钳位电路提高反激式电源的效率

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在标准反激式电源转换器中,变压器的漏电感会在初级侧FET的漏极上产生电压尖峰。为防止这种尖峰,FET通常需要一个钳位保护,如图1所示。但钳位保护中的功率损耗限制了反激转换器的效率。在本电源技巧中,我们将研究反激式电源转换器的两种不同结构,它们使用非耗散钳位技术来回收泄漏能量并提高效率。

图1大多数反激式转换器采用耗散钳位

耗散钳位中的功率损耗与存储与电感的能量有关。当FET导通时,变压器初级绕组中的电流逐渐增加到峰值电流。当FET关断时,能量通过变压器的次级绕组传递到输出端,泄漏能量不通过变压器铁心耦合,因此它可以保留在初级侧并流入钳位。
重要的是要了解不仅泄漏能量在钳位中消散,磁化能量的一部分也是如此。如功率提示#17中所述,将初级绕组电压钳制得远高于反射输出电压可以最大限度地减少钳位中燃烧的磁化能量。
       双开关反激是反激式转换器的常见变体,可回收泄漏能量。图2是双开关反激的简化示意图。两个FET与它们之间的初级绕组串联连接,这两个FET同时开启或关闭。当它们接通时,初级绕组连接到输入端,并通电至峰值电流。当它们关闭时,次级绕组将磁化能量传递给输出端,泄漏能量通过D1和D2再循环回输入端。通过回收泄漏能量,双开关反激式电池的效率高于单开关耗散型开关。

图2双开关反激回收钳位能量到输入

两个开关同时导通会抵消效率,因此传导损耗趋于增加,特别是在低输入电压应用中。幸运的是,两个FET的漏极——源极电压都会钳位到输入电压,因此与单开关反激式相比,您可以使用额定电压较低的FET。同时,钳位电压的能力在高输入电压应用中也是有利的。
       效率增益与漏电感与磁化电感的比率有关,通常约为2%。回收泄漏能量除了提高效率之外还具有其他益处,例如在高功率反激式应用中(通常大于75W),耗散钳位中的损耗会产生热管理,双开关反激式完全消除了这种热源。
      这种更高效率和改进的热性能的折衷是成本和复杂性的增加。不仅需要额外的FET;同时也需要高端FET的隔离驱动器。另外,需要设置变压器匝数比,使得输出电压小于最小输入电压。否则,输出电压将被钳位,变压器将无法正常复位。因此,双开关反激本质上限于最大50%的占空比。实际上,输出电压应该足够低于最小输入电压,以允许漏电感的快速复位。图3中的电路显示了另一种回收泄漏能量的方法,但使用的是单开关反激式。这种非消耗性钳位技术并不是新的,但它也不为人所熟知。然而它提供了许多与双开关反激式相同的好处。

图3一个简单的非耗散钳位添加到单开关反激式

实现此钳位需要在变压器的初级侧添加钳位绕组。该绕组必须具有与初级绕组相同的匝数。增加一个钳位电容,连接到FET的漏极。钳位电容的另一端通过二极管D1钳位到输入电压,并通过二极管D2钳位到钳位绕组。
      钳位绕组和D2将钳位电容两端的电压限制为等于输入电压的最大值,在主回路周围应用基尔霍夫电压定律时很明显,如图4所示。请注意,两个初级绕组电压相互抵消,无论任何的极性或大小。只有在两个绕组上使用相同的匝数时,此方法才有效。

图4钳位电容电压受输入电压的限制

要了解此钳位如何工作,请考虑FET关闭时会发生什么。当初级FET关断时,漏电感中的电流流过钳位电容并使二极管D1正向偏置。当D1导通时,漏电感将在其两端的电压等于输入电压和反射输出电压之间的差值。一旦漏电感中的电流降至零,D1就会关闭。传递到钳位电容器的泄漏能量暂时使钳位电容器上的电压略高于输入电压。当D1关断时,D2钳位通过变压器绕组中的耦合有效地将存储的电荷传输到输出侧。
      该钳位电路需要更少的元件,并且比双开关反激式元件便宜。就像双开关反激式一样,它可以提高几个百分点的效率,并消除与耗散泄漏能量相关的热问题。该钳位电路还将占空比限制在最大值的50%。需要考虑的是电路需要一个更高电压的FET,其额定输入电压必须超过输入电压的两倍。与双开关反激相比,FET的漏极上的较高电压也可能对电磁干扰提出更多挑战。
      有源钳位反激是另一种版本的反激式回收漏电能量,同时可以提供零电压开关。有源钳位反激更复杂,需要专用控制器。下次设计高功率反激电源时,请考虑采用非耗散钳位来提高效率并保持良好散热。

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