作者：GuangQi Hou，應用工程師

摘要

有源鉗位正激轉換器利用P通道MOS進行鉗位，是公認的高效率電源拓撲。該設計支持將儲存的電感能量反饋到電網，從而提高整體轉換器效率。為了進一步提高效率，該設計還集成了基于MOSFET的二次自整流電路。本文探討了二次整流電路面臨的設計難題，強調了優化占空比的重要性。值得注意的是，有源鉗位正激轉換器中采用了廣泛的電源技術，本文僅介紹了其中一種。

簡介

對于有源鉗位正激轉換器(ACFC)，占空比是一個關鍵參數，會影響輸出電壓和效率。通常，正激轉換器的最大占空比以50%為限。采用有源鉗位技術，占空比可以高于50%，超越傳統設計的限制。有許多文章都說明了最大占空比與ACFC拓撲之間的關系，但討論如何設計最小占空比的文章并不多。

本文以隔離式ACFC電源為例，闡述最小占空比對設計的影響。該轉換器用于將輸入24 V_AC或48 ~ 60 V_DC，轉化為15VDC，1.5 A輸出。其隔離特性使其適合為現場工業應用供電。ACFC拓撲幫助實現了高達91%的峰值效率。設計要求如表1所示。

表1.設計要求

參數	符號	最小值	最大值
輸入電壓	VINDC	27.8 VDC (≈ 24 × 85% × √2-1)	60 VDC
	VINAC	20.4 VAC (≈ 24 × 85%)	41.8 VAC
開關頻率	350 kHz
峰值頻率	η	高于88%
占空比	D	0.22	0.46
輸出電壓	VOUT	14.85	15.15
輸出電壓紋波	ΔVOUT	300 mV
輸出電流	IOUT	0 A	1.5 A
輸出功率	POUT	22.5 W

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換器電源設計所需的所有控制電路。本文深入探討了二次自整流電路設計的考慮因素和評估結果。

二次自整流電路的設計考慮

ACFC通過使用自整流電路，實現了更高的效率。圖1為基于MOSFET的典型自整流電路原理圖。與傳統的二極管整流電路相比，MOSFET的導通電阻更低，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¹

然而，當輸出電壓接近或超過MOSFET柵極電壓工作范圍時，這個設計就不合適了。我們可以通過附加電路來產生這些MOSFET的柵極驅動電壓。圖2為該電路的細節信息。G1和G2連接到變壓器的輔助繞組。

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與開關周期同步。當柵極1輸出高電平時，柵極2輸出低電平，反之亦然。完整電路如圖3所示。

圖2.輔助繞組變壓器中的柵極驅動電路

圖3.性能測試使用的示例電路

該環路必須確保輸出處于MOSFET V_GS的工作范圍內。公式1反映了柵極驅動電壓與匝數比之間的關系。

K_GATE為變壓器比率。N_G為變壓器繞組的匝數。N_P為變壓器初級繞組的匝數。V_{GATE_MAX}為MOSFET柵極驅動電壓的最大電壓。V_{DC_MAX}為直流輸入電壓的最大電壓。

當初級環路的主開關閉合時，施加于變壓器的電壓為正，即V_DC。因此，柵極1的輸出為高電平，柵極2的輸出為GND。它與匝數比和直流輸入電壓有關。

當主MOSFET關斷時，鉗位電路將漏極電壓限制為V_CLAMP。V_CLAMP高于V_DC，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算：


柵極2的電壓與匝數比以及V_CLAMP和V_DCINPUT之間的差距有關。

占空比會隨輸入電壓而變化，因此必須確保柵極的驅動電壓能夠以完整的V_IN范圍驅動MOSFET。應用最大直流輸入和最小導通率時，柵極驅動電壓將達到最小值。

在設計示例中，柵極2最低電壓可依照式5進行計算。當輸入直流電壓達到最大值時，柵極2上的電壓只有4.23 V。

如果該電壓低于V_GS導通閾值，則二次整流電路的MOSFET將無法準確工作。這可能導致當輸入電壓接近最大值時，電源在沒有任何負載的情況下無法啟動。在示例電路中，V_GS閾值電壓為3 V，小于計算出的最小V_GATE2。

圖4為示例電路的測量結果。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(V_IN = 60 V)

示例電路的性能

為了驗證柵極驅動電路計算的準確性，我們對示例電路進行了性能測試。圖5為不同負載電流（0A、0.5A、1A、1.5A）下的輸入和輸出電壓。

圖5.不同負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載下的峰值效率。當輸入為36 V、輸出為1.5 A時，峰值效率達到91%。

圖7.峰值效率

波特圖顯示了峰值效率工作條件下的環路穩定性，即V_DCINPUT = 36 V、I_OUTPUT = 1.5 A。

圖8顯示了環路響應。

圖8.波特圖

圖9和圖10顯示了輸出峰峰值電壓。圖9是無負載電流的情況，圖10是滿負載的情況。

圖9.空載時輸出峰峰值電壓

圖10.滿負載1.5 A時輸出峰峰值電壓

圖11和12顯示了負載瞬態響應。圖11為負載從零變為滿負載。圖12為負載從滿負載變為零。CH1測量的是輸出電壓（交流耦合）。CH2測量的是輸出負載電流。

圖11.瞬態響應（0 A至1.5 A）


圖12.瞬態響應（1.5 A至0 A）

結論

綜上所述，對ACFC的研究讓我們對其性能和效率有了重要認識。通過分析二次整流電路的設計以及占空比的影響，我們發現，當需要額外的輔助柵極驅動電路時，最小占空比會受到限制。

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解決方案。通過本文可知，占空比存在一個最佳范圍。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。

將本研究的成果應用于設計和實施ACFC，有助于避免設計階段出現問題。

參考文獻

¹ “利用峰值電流模式控制器設計有源鉗位正激轉換器”。ADI公司，2014年8月。

關于ADI公司

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GuangQi Hou于2008年獲得日本慶應義塾大學電子與電氣工程學士學位。他于2021年2月加入ADI公司。目前，他在中國技術支持團隊工作，主要負責與電量計、電源管理、工業接口、電機和運動控制相關的產品。