【導讀】該拓撲由輸入電容器 CIN、兩個(gè) MOSFET 開(kāi)關(guān) Q1 和 Q1、電源變壓器 T1、兩個(gè)鉗位二極管 D3 和 D4、兩個(gè)整流二極管 D1 和 D2 以及由 LO 和 Co 組成的輸出濾波器組成。
該拓撲由輸入電容器 CIN、兩個(gè) MOSFET 開(kāi)關(guān) Q1 和 Q1、電源變壓器 T1、兩個(gè)鉗位二極管 D3 和 D4、兩個(gè)整流二極管 D1 和 D2 以及由 LO 和 Co 組成的輸出濾波器組成。
下面的圖 2a 和 2b 描述了雙開(kāi)關(guān)正激轉換器的工作原理。Q1 和 Q2 同時(shí)導通和截止。當它們打開(kāi)時(shí)，如圖 2a 所示，電力通過(guò)變壓器和輸出濾波器傳送到負載。
當MOSFET關(guān)斷時(shí)，如圖2b所示，原邊電路中的功率被切斷，原邊繞組上的電壓將反轉，直到點(diǎn)端被D3鉗位返回，非點(diǎn)端被D4鉗位到VIN。因此，每個(gè) MOSFET 將承受 VIN 的關(guān)斷電壓應力大小。
雙開(kāi)關(guān)正激變換器的工作模式。
圖2. 雙開(kāi)關(guān)正激變換器的工作模式
不僅來(lái)自變壓器磁化電感的能量被鉗位，更重要的是，漏感能量也被鉗位并通過(guò)二極管 D3 和 D4 返回到輸入電源總線(xiàn)。導通期間存儲在漏感中的能量不必在電阻緩沖器或 MOSFET 本身中耗散。
與單開(kāi)關(guān)方法相比，這一優(yōu)點(diǎn)減少了系統功率損耗并降低了系統噪聲，因為通常與感應能量釋放相關(guān)的振鈴現在被鉗位。因此，無(wú)需緩沖電路，轉換器的 EMI 特征也大大降低。
單開(kāi)關(guān)正激轉換器中的變壓器磁芯復位通常是通過(guò)第三復位繞組來(lái)完成的。通常復位繞組的匝數與初級繞組相同。因此，內核將始終以等于晶體管導通時(shí)間的復位時(shí)間復位。MOSFET 開(kāi)關(guān)上的電壓應力將是輸入電壓加上泄漏能量引起的尖峰的兩倍。
通過(guò)將 MOSFET 開(kāi)關(guān)的占空比限制為低于 50%，變壓器磁芯將始終在每個(gè)周期重置。雙開(kāi)關(guān)正激轉換器以完全相同的方式復位變壓器，無(wú)需額外的復位繞組，因為D3和D4的導通有效地將相反極性的輸入電壓施加到電源變壓器初級繞組以復位磁芯。
由于 MOSFET 上的漏極至源極電壓被鉗位至 VIN，因此峰值電壓應力是多少并不存在不確定性。這個(gè)好處怎么強調都不為過(guò)。單開(kāi)關(guān)方法中的峰值電壓應力與漏感值、開(kāi)關(guān)速度和電路布局成正比。漏感難以控制，并且即使在設計投入生產(chǎn)后也常常會(huì )發(fā)生變化。
乍一看，高側 MOSFET 的串聯(lián)傳導損耗似乎是額外的功耗。然而，對 MOSFET 工藝特性的研究表明，雙開(kāi)關(guān)拓撲實(shí)際上可以減少傳導損耗。對于具有 36V 至 75V 輸入應用的單開(kāi)關(guān)正激轉換器，如果漏感尖峰得到控制，通常需要 200V MOSFET。
芯片尺寸以及 MOSFET 的成本與導通電阻 (RdsON) 和額定電壓成正比。雖然雙開(kāi)關(guān)方法需要兩個(gè)串聯(lián)的 MOSFET，但對于給定的芯片尺寸，兩個(gè) MOSFET 的總電阻通?？梢孕∮诰哂袃杀峨妷耗芰Φ膯蝹€(gè)開(kāi)關(guān)。
使用兩個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)，柵極驅動(dòng)損耗明顯較高，但 Rds(ON) 較低且消除漏感損耗通常會(huì )提高轉換效率。消除緩沖器元件和控制漏感效應是雙開(kāi)關(guān)拓撲的一大優(yōu)點(diǎn)，尤其是在較高輸入電壓下。
較高輸入電壓的應用通常具有更多的初級匝數，這往往會(huì )增加漏感和損耗。雙開(kāi)關(guān)方法的優(yōu)勢隨著(zhù)輸入電壓的增加而增加，但較低輸入電壓的應用通常也能受益。
從歷史上看，驅動(dòng)高側 MOSFET 對于雙開(kāi)關(guān)拓撲來(lái)說(shuō)一直是一個(gè)挑戰，因為高側 MOSFET 需要浮動(dòng)柵極驅動(dòng)器。新型單片 IC 穩壓器通過(guò)使用由高速電平移位電路控制的自舉電容器技術(shù)，消除了高端 MOSFET 柵極驅動(dòng)的難題。下面的圖 3顯示了高端柵極驅動(dòng)實(shí)現的框圖。
圖3. 高側柵極驅動(dòng)電路框圖
兩個(gè)開(kāi)關(guān)正激轉換器設計的優(yōu)點(diǎn)
雙開(kāi)關(guān)正激的優(yōu)勢在集成解決方案中變得更加顯著(zhù)，其中完整的控制電路、高側和低側開(kāi)關(guān)的柵極驅動(dòng)，甚至兩個(gè)高壓 MOSFET 都可以集成在同一 IC 中。
通過(guò)鉗位MOSFET上的電壓應力，功率轉換器的輸入電壓范圍可以接近MOSFET的額定電壓，充分利用MOSFET的工藝能力。相比之下，單開(kāi)關(guān)正激轉換器的輸入電壓范圍被限制為小于 MOSFET 額定電壓的一半。
全集成雙開(kāi)關(guān) DC-DC 穩壓器的典型示例是 National Semiconductor 的 LM5015，它提供高性能、低成本 DC-DC 穩壓器解決方案，能夠支持 4.25V 至 75V 的極寬輸入電壓范圍。
兩開(kāi)關(guān)反激式轉換器
下圖4所示為雙開(kāi)關(guān)反激變換器拓撲結構，由兩個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)Q1和Q2、電源變壓器T1、兩個(gè)鉗位二極管D1和D2、次級整流二極管DO、輸入濾波電容CIN和輸出濾波電容CO組成。
圖4. 雙開(kāi)關(guān)反激式轉換器拓撲
兩個(gè) MOSFET 開(kāi)關(guān)同時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉，就像雙開(kāi)關(guān)正激轉換器一樣。反激變壓器的工作用雙繞組耦合電感器來(lái)描述。當初級 MOSFET 工作時(shí)，能量被提供給初級電路中的電感器，然后當初級 MOSFET 關(guān)閉時(shí)，能量被釋放到次級電路。
初級和次級繞組之間的耦合從來(lái)都不是完美的；如果不加以控制，這種漏感可能會(huì )在單開(kāi)關(guān)方法中損壞初級 MOSFET。雙開(kāi)關(guān)反激式中的鉗位二極管用于將泄漏能量恢復回輸入，并將每個(gè) MOSFET 的關(guān)斷峰值電壓鉗位在 VIN 處。
雙開(kāi)關(guān)反激式轉換器設計的優(yōu)點(diǎn)
雙開(kāi)關(guān)反激式與雙開(kāi)關(guān)正激式具有所有相同的優(yōu)點(diǎn)。MOSFET 開(kāi)關(guān)上的電壓應力被鉗位至 VIN，并且漏感能量返回到輸入，而不是耗散在單開(kāi)關(guān)方法中通常需要的緩沖器中。
圖 3 所示的相同技術(shù)可用于高側 MOSFET 柵極驅動(dòng)。與單開(kāi)關(guān)反激轉換器一樣，雙開(kāi)關(guān)反激轉換器可以在不連續或連續導通模式下運行。
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