使用功率開關(guān)提高效率

高頻率運作的開關(guān)電源(SMPS)允許使用小型無源組件，而硬開關(guān)模式則會引起開關(guān)損耗增大，為了降低高開關(guān)頻率下的開關(guān)損耗，業(yè)界開發(fā)了諸多軟開關(guān)技術(shù)，其中負載諧振技術(shù)和零電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)都獲得廣泛使用。

負載諧振技術(shù)利用電容和電感在整個開關(guān)期間的諧振特性，使得開關(guān)頻率隨著輸入電壓和負載電流而變化。開關(guān)頻率的改變，如脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 給含有輸入濾波器的SMPS 設(shè)計人員帶來了困難。因為這里沒有用于濾波的輸出電感，所以輸出整流二極管兩端的鉗制電壓允許設(shè)計人員選擇低額定電壓二極管。然而，當(dāng)負載電流增加時，輸出電感的缺位給輸出電容帶來了負擔(dān)，因而負載諧振技術(shù)不適用于具有高輸出電流和低輸出電壓的應(yīng)用。另一方面，零電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)利用的是電路寄生成分僅在開關(guān)開啟和關(guān)斷轉(zhuǎn)換瞬間才出現(xiàn)的諧振特性。這些技術(shù)的優(yōu)勢之一是利用了寄生組件如主變壓器的漏電感和開關(guān)的輸出電容，因而無需增添更多的外部組件來實現(xiàn)軟開關(guān)。此外，這些技術(shù)使用具有固定開關(guān)頻率的脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，因而，這些技術(shù)相比負載諧振技術(shù)更易于理解、分析和設(shè)計。

由于非對稱PWM半橋轉(zhuǎn)換器具有簡單配置和零電壓開關(guān)(ZVS)特性，因此是使用零電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)的最常見拓撲之一。不僅如此，相比負載諧振拓撲如LLC轉(zhuǎn)換器，非對稱PWM半橋轉(zhuǎn)換器具有一個輸出電感，其輸出電流的紋波成分小得可以由一個適當(dāng)?shù)妮敵鲭娙輥硖幚?。由于易于分析和設(shè)計，且具有一個輸出電感，所以非對稱PWM半橋轉(zhuǎn)換器通常用于具有高輸出電流和低輸出電壓的應(yīng)用如PC電源和服務(wù)器電源。為了更好地處理輸出電流，往往在次級端使用一個同步整流器，因為傳導(dǎo)損耗可作為替代二極管損耗的電阻損耗。相比LLC轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)用于非對稱半橋轉(zhuǎn)換器的同步整流器驅(qū)動器更為便利，此外，電流倍增器是增加主變壓器在高輸出電流下的利用率的常用方案。

本文描述帶有電流倍增器和同步整流器的非對稱PWM半橋轉(zhuǎn)換器的普遍特性，并列舉一個示例及某些實驗結(jié)果，該示例使用針對非對稱受控拓撲的功率開關(guān)。

帶有電流倍增器和同步整流器的非對稱PWM半橋轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢

對于具有低輸出電壓和高輸出電流的應(yīng)用，廣泛使用電流倍增器。圖1所示為處于次級端帶有電流倍增器的非對稱PWM半橋轉(zhuǎn)換器，次級線圈是單端配置而輸出電感分為兩個較小的電感。為了提高總體效率，使用具有低RDS(ON)的MOSFET構(gòu)成的同步整流器 (Synchronous Rectifier, SR)。與傳統(tǒng)的中心抽頭式(center-tapped)配置相比，電流倍增器具有多項優(yōu)勢：首先，勵磁電流的DC成分小于或等于中心抽頭式配置的 DC 成分，因而變壓器可以使用較小的磁芯。當(dāng)每個輸出電感承擔(dān)負載電流的一半時，勵磁電流與中心抽頭式配置相似。如果輸出電感承擔(dān)的負載電流不均衡，勵磁電流就會減少。其次，次級線圈電流的平方根值(root-mean-square, RMS)小于中心抽頭式配置，這是因為幾乎一半的負載電流流經(jīng)各個輸出電感。鑒于此，次級線圈的電流密度低，可以使用相同的磁芯和相同的線材規(guī)格。第三，其繞組本身較中心抽頭式方案簡單，尤其值得關(guān)注的是由于變壓器線引腳數(shù)量的限制，可用于多輸出應(yīng)用。第四，可以更便利、有效地從輸出電感獲取SR的柵極信號，由于初級線圈匝數(shù)足夠多而變壓器次級線圈匝數(shù)只有少許，可從輸出電感輕易獲取適當(dāng)?shù)臇艠O電壓，如10V和20V之間的電壓。此外，單獨的輸出電感將會減輕更大磁芯的成本負擔(dān)。鑒于上述數(shù)項優(yōu)勢，電流倍增器是高輸出電流應(yīng)用的最常用拓撲之一。

圖1.使用電流倍增器的非對稱PWM半橋轉(zhuǎn)換器

建議的轉(zhuǎn)換器運作原理

如圖2所示，從供電模式2開始，由于S1開啟，Vin-VCb施加到變壓器的初級端，勵磁電流im以斜率(Vin-VCb)/Lm.增加，由于SR2關(guān)斷，LO1的電流斜率就由(Vin-VCb)/n減去輸出電壓決定。另一方面，LO2的電流以斜率–VO/LO2減小，這是流經(jīng)SR1的續(xù)流(free-wheeling)。當(dāng)兩個輸出電感分享負載電流時，SR1承擔(dān)全部負載電流。變壓器的次級繞組僅處理iLO1，因而iLO1/n是反射到變壓器初級端的電流，它在勵磁電流上疊加，構(gòu)成初級電流ipri。在實際上，由于漏電感的現(xiàn)象，所以vT2較圖2所示的數(shù)值稍低，但我們在這一章段中將忽略這一情況，從而簡化分析。

圖2.建議轉(zhuǎn)換器的運作分析

當(dāng)S1關(guān)斷，則開始模式3，由于S2的輸出電容被放電，故vT1也減小，最終，當(dāng)S2輸出電容電壓等于VCb. 時，它變?yōu)榱?。同時，由于SR2的反向偏置電壓消除，因此它的體二極管開啟導(dǎo)通。然后，兩個SR在這個模式中一起導(dǎo)通。S2的體二極管在S2的輸出電容和S1的輸出電容完全放電后導(dǎo)通，由于兩個SR均導(dǎo)通，iLO1和iLO2均為續(xù)流，斜率分別為–VO/LO1和–VO/LO2, 而vT1和vT2均為零。由于VCb僅僅施加在漏電感上，它引起初級電流的極性快速變化。在S2的體二極管導(dǎo)通后S2開啟， 從而實現(xiàn)S2的ZVS運作，這個模式的持續(xù)時間為

模式4是另一個充電模式，在各個SR之間的換向結(jié)束時開始，在變壓器初級端施加的電壓為–VCb，因而勵磁電流以斜率–VCb/Lm減少，iLO2的斜率為(VCb/n-VO)/LO2。其它的電感電流是通過SR2的續(xù)流。可從圖2看出，由于異相(out-of-phase)作用，每個輸出電感的大紋波電流得以消除。因而，相比中心抽頭式或橋式整流配置，它可以在電流倍增器配置中使用兩個較小的電感。

當(dāng)S2關(guān)斷，模式1作為另一個重建模式而開始，模式1的運作原理幾乎與模式3相同，只有ZVS狀況例外。在模式1中，當(dāng)S1的輸出電容電壓等于Vin-VCb的瞬間，vT1成為零。在這個瞬間之前，輸出電感LO2上的負載電流反射到變壓器的初級端，有助于實現(xiàn)開關(guān)的ZVS運作。與此相反，存儲在漏電感中的能量僅在這個瞬間之后對輸出電容進行放電和充電。因而，S1的ZVS運作較S2更為穩(wěn)固，因為通常Vin-VCb高于VCb，除此之外，可以與模式3相同的方式進行分析，模式1的延續(xù)時間為

設(shè)計示例和實驗結(jié)果

在本節(jié)中討論一個設(shè)計示例，目標(biāo)系統(tǒng)是輸出電壓為12V和輸出負載電流為30A的PC電源，由于輸入通常來自功率因數(shù)校正(PFC)電路，輸入電壓的范圍并不寬泛，目標(biāo)規(guī)范如下：

V標(biāo)稱輸入電壓：390 VDC

·輸入電壓范圍：370 VDC～410 VDC

·輸出電壓：12 V

·輸出電流：30 A

·開關(guān)頻率：100 kHz

圖3所示為參考設(shè)計的完整原理圖，變壓器的電氣特性如表1所示。

圖3.360W PC電源的設(shè)計示例(12 V,30 A)

表I.所設(shè)計變壓器的電氣特性

圖4和圖5所示為轉(zhuǎn)換器在標(biāo)稱輸入和全負載情況下的實驗波形。S1的柵極信號，主變壓器的初級端和次級端的電壓和初級端電流如圖4所示。請留意這些波形與理論分析很好地吻合，包括ZVS運作。輸出電感電流和SR的電流如圖5所示，由于占空比和寄生組件，輸出電感電流是不均衡的，這意味著平均勵磁電流小于中心抽頭式配置(注1)。

圖4.實驗結(jié)果I

圖5.實驗結(jié)果II

圖6所示為不同負載情況下的ZVS運作，顯示了低側(cè)開關(guān)的漏極電壓和柵極信號，轉(zhuǎn)換器在負載低至30%的情況下仍表現(xiàn)為ZVS運作。

圖6.ZVS運作驗證；(a)30% 負載；(b)20%負載狀況

轉(zhuǎn)換器的效率如圖7所示，在額定負載為20%、50%和100%的情況下測得的效率分別為93.7%、94.6%和93.1%，這顯示了邊際性能，因而使用設(shè)計優(yōu)良的PFC和DC-DC級能夠達到85 PLUS規(guī)范要求。