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幾種軟開關反激比較以及GaN優點介紹

發布時間:2019-01-05 責任編輯:xueqi

【導讀】在非對稱反激變換器中,上管導通時,變壓器和諧振電容同時儲存能量,當能量從原邊向次級傳輸時,原邊串聯的諧振電容和變壓器儲存的能量,同時向輸出負載傳輸,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。
 
1、有源箝位反激變換器和非對稱反激變換器的比較
 
圖1:有源箝位反激變換器的電路結構
 
圖2:非對稱反激變換器的電路結構
 
(1)有源箝位反激變換器的變壓器需要儲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變化,因此變壓器無法工作在最優的狀態,變壓器也無法進行最優化的設計。
 
在非對稱反激變換器中,上管導通時,變壓器和諧振電容同時儲存能量,當能量從原邊向次級傳輸時,原邊串聯的諧振電容和變壓器儲存的能量,同時向輸出負載傳輸,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,當負載降低到某一值時,系統會退出有源箝位的工作方式,效率會降低,同時會對次級整流管產生高的電壓應力。
 
非對稱反激變換器可以在更寬的負載范圍內,工作在軟開關模式,因此在較輕的負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,流過的電流小,因此可以使用價格便宜的高壓陶瓷電容。
 
非對稱反激變換器的諧振電容位于主功率回路,流過的電流大,因此要使用高頻特性比較好、通過電流大的CBB或X1高壓電容。
 
2、軟開關ZVS反激變換器使用GaN的優點
 
有源箝位反激變換器和非對稱反激變換器這二種結構使用GaN功率管,相比于超結的高壓功率MOSFET,在高頻軟開關工作時,具有更高的效率,因此更有優勢:
 
圖3:E-Mode GaN結構
 
(1)、GaN的Ciss非常小,驅動損耗非常小,提高高頻工作的效率。
 
(2)、GaN的Coss 及Qoss非常小,要求實現ZVS開通所需要的激磁電流小,這樣就減小系統的環流,從而降低在功率MOSFET和變壓器中產生的導通損耗,同時也可以減小變壓器磁芯的損耗。
 
(3)、GaN的Crss小,關斷時產生的開關損耗小。
 
(4)、高頻ZVS工作時,GaN的Coss充放電產生的損耗明顯低于超結的高壓功率MOSFET。
 
(5)、超結的高壓功率MOSFET的Coss的非線性特性,在低壓時會突然急劇增加,因此在設計時需要有更長的死區時間,從而降低了系統效率。
 
(6)、有源箝位反激變換器使用GaN同時采用次級同步整流,在原邊和次級繞組換流過程中,變壓器的原邊電流下跌凹坑更大,因此可以減小上管的導通損耗以及變壓器原邊繞組的導通損耗,從而提高效率。
 
(a)超結高壓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構
 
電流反灌可以使用次級輸出繞組、也可以使用輔助繞組實現原邊主開關的零電壓ZVS工作,控制的方法可以使用臨界模式,也可以使用非連續模式。臨界模式的工作過程以前的文章進行過詳細的論述,非連續模式的工作原理如圖5所示。
 
在主開關管開通前,先開通輔助繞組的開關管,輔助電源對輔助繞組進行電流反灌,將能量儲存在變壓器中;輔助繞組的開關管關斷后,變壓器儲存的能量抽取主開關管COSS的能量,COSS放電電壓降低,直到其內部體二極管導通,這時候開通主開關管,就能實現零電壓開通ZVS。
 
(a)電路結構
 
(b)工作波形
圖5:使用輔助繞組電流反灌的電路結構和波形
 
電流反灌實現ZVS軟開關的反激變換器結構具有簡單、不需要高壓浮動驅動、成本低的優點,缺點是對反灌電流很難實現精確控制,反灌電流太小,無法實現主功率管的ZVS軟開關;反灌電流太大,產生大的環流和導通損耗,影響效率。
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