数字控制实现带有源缓冲的高可靠性DC-DC功率转换

作者:Subodh Madiwale ADI公司

摘要

一般而言,在高输出电流隔离式DC-DC电源应用中,使用同步整流器(尤其是MOSFET)是主流趋势。高输出电流还会在整流器上引入较高的di/dt。为了实现高效率,MOSFET的选择主要取决于导通电阻和栅极电荷。然而,人们很少注意寄生体二极管反向恢复电荷(Qrr)和输出电容(COSS)。这些关键参数可能会增大MOSFET漏极上的电压尖峰和振铃。

一般而言,随着MOSFET击穿电压额定值的增大,导通电阻也会增大。本文提出一种数控有源钳位吸收器。该吸收器既可消除同步整流器上的电压尖峰和振铃,还能发挥设计指南作用;在隔离式DC-DC转换器(如半桥和全桥拓扑结构)中拥有多种其他优势,同时还能提高可靠性,降低故障率。

简介

人们总是希望使用平均故障间隔时间(MTBF)较高的高可靠性电源。要打造稳健的设计,可以使用额定击穿电压较高的开关。但这样做会丧失一定的效率。因此,高效率和高可靠性在实际图1. 功率转换器副边(图中所示为有源钳位)应用中往往不可兼得。作为新一代电源解决方案的一部分,工业界一直对高效率隔离式DC-DC转换器保持着稳定的需求。这就要求在副边使用同步整流器。整流器的额定值一般是器件电压尖峰的1.2至1.5倍。电压尖峰由漏感、寄生走线电感和整流器输出电容(COSS)形成的谐振所导致,谐振峰值可能高达整流器稳态反向电压的两倍。一种解决方案是用无源吸收器充当RC1或RCD2。虽然这些器件非常流行,但有损耗,会导致效率略微下降。用于制造无损吸收器的部分技术采用的是再生吸收器(如LCD3),但吸收器仅用于原边开关,或者只在电源开关关闭而非开启期间使用RC吸收器。其他技术4,5运用泄漏电能来驱动小型高效率转换器,馈入输出电压终端。但这要求使用更多的元件。其他技术6则将有源钳位吸收器用于全桥相移拓扑结构,以便消除在ZVS软开关应用中由原边谐振电感导致的谐振,但仅限于低占空比应用。

本文将深入探讨有源钳位吸收器电路及其数字实现方式,该吸收器电路可以避免电压偏移,特别是能消除MOSFET中寄生二极管的反向恢复损耗,还具有多种其他优势。转换器(仅副边)功率级示意图如图1所示。

图1. 功率转换器副边(图中所示为有源钳位)

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