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幾種軟開關(guān)反激比較以及GaN優(yōu)點介紹

發(fā)布時間:2019-01-05 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】在非對稱反激變換器中,上管導(dǎo)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(lián)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(jié)構(gòu)
 
圖2:非對稱反激變換器的電路結(jié)構(gòu)
 
(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(nèi)變化,因此變壓器無法工作在最優(yōu)的狀態(tài),變壓器也無法進行最優(yōu)化的設(shè)計。
 
在非對稱反激變換器中,上管導(dǎo)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(lián)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(tǒng)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(chǎn)生高的電壓應(yīng)力。
 
非對稱反激變換器可以在更寬的負載范圍內(nèi),工作在軟開關(guān)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(guān)ZVS反激變換器使用GaN的優(yōu)點
 
有源箝位反激變換器和非對稱反激變換器這二種結(jié)構(gòu)使用GaN功率管,相比于超結(jié)的高壓功率MOSFET,在高頻軟開關(guān)工作時,具有更高的效率,因此更有優(yōu)勢:
 
圖3:E-Mode GaN結(jié)構(gòu)
 
(1)、GaN的Ciss非常小,驅(qū)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(xiàn)ZVS開通所需要的激磁電流小,這樣就減小系統(tǒng)的環(huán)流,從而降低在功率MOSFET和變壓器中產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗,同時也可以減小變壓器磁芯的損耗。
 
(3)、GaN的Crss小,關(guān)斷時產(chǎn)生的開關(guān)損耗小。
 
(4)、高頻ZVS工作時,GaN的Coss充放電產(chǎn)生的損耗明顯低于超結(jié)的高壓功率MOSFET。
 
(5)、超結(jié)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(shè)計時需要有更長的死區(qū)時間,從而降低了系統(tǒng)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(dǎo)通損耗以及變壓器原邊繞組的導(dǎo)通損耗,從而提高效率。
 
(a)超結(jié)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(jié)構(gòu)
 
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(xiàn)原邊主開關(guān)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(xù)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(xù)模式的工作原理如圖5所示。
 
在主開關(guān)管開通前,先開通輔助繞組的開關(guān)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(guān)管關(guān)斷后,變壓器儲存的能量抽取主開關(guān)管COSS的能量,COSS放電電壓降低,直到其內(nèi)部體二極管導(dǎo)通,這時候開通主開關(guān)管,就能實現(xiàn)零電壓開通ZVS。
 
(a)電路結(jié)構(gòu)
 
(b)工作波形
圖5:使用輔助繞組電流反灌的電路結(jié)構(gòu)和波形
 
電流反灌實現(xiàn)ZVS軟開關(guān)的反激變換器結(jié)構(gòu)具有簡單、不需要高壓浮動驅(qū)動、成本低的優(yōu)點,缺點是對反灌電流很難實現(xiàn)精確控制,反灌電流太小,無法實現(xiàn)主功率管的ZVS軟開關(guān);反灌電流太大,產(chǎn)生大的環(huán)流和導(dǎo)通損耗,影響效率。
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