零电压开通高效反激电源设计与分析-FFR-AHB-电子研习社

2024-02-11 21:48

本文主要是介绍零电压开通高效反激电源设计与分析-FFR-AHB-电子研习社,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

零电压开通高效反激电源设计与分析-FFR-AHB-电子研习社

今天学习的课程是高效反激电源的设计,由梁晓军主讲。

主要包括三大块内容:
 如何实现高功率密度的USB PD电源
 基于强制谐振反激零电压开通拓扑设计与分析
 基于不对称半桥反激拓扑设计与分析(较新)

  1. 如何实现高功率密度的USB PD电源
    高频(140K-250K近两年最佳工作频率)、软开关拓扑、平面变压器、可调整的频率法则、较小的共模EMI噪声(可以使用较小的共模滤波器,可使用变压器构造抵消EMI)。

拓扑的选择,如下图为常用的反激拓扑。
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准谐振反激(QR)在高压输入时候仍有较大开关损耗。而使用零电压开通更适合。如下图。
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有源钳位反激。如下图,但是使用Si器件的话功率密度做不大。在第一个谷底开通,高低压频率变化比较大。

全电压范围零电压开通反激。如下图,增加了一个零电压开关的辅助管,产生负电流,将主功率管Coss两端的电压抽到零。
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LLC半桥,如下图。效率很高,但不适合宽电压输入输出,不太适合宽压USB PD的设计。
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不对称半桥反激,如下图。与LLC类似但是还是反激的架构。通过电感和谐振电容储能,可以适合宽压输入输出。
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下图是各种拓扑的对比。ACF适合用GaN器件,在以后可能有市场。相比而言,现在还是比较适合使用零电压开通反激的拓扑。
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可调整的频率法则需求。可以根据不同的输入输出电压、负载变化等改变频率。例如当10%负载时可以降低频率以满足对轻载的能耗要求。

EMI设计。
如何减小EMI噪声。
理想LC滤波器在谐振频率点就开始衰减了,频率越高,滤波效果越好。但是考虑了寄生参数的影响之后,会有自谐振点导致对高频的衰减不够。例如在10MHz以后就跟明显了。如下图,在高频段滤波效果就会很糟糕。
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反激电路变压器共模噪声抵消技术,如下图。如果将次级整流二极管放在高端,将对EMI有好处,EMI会相互抵消。但是如果使用MOS做同步整流,则EMI会相互叠加,造成EMI难以控制。

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还可以通过变压器设计来减小EMI。
下图是反激电路的共模噪声路径。
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如下图,当变压器匝比为1:1时,就没共模噪声了,只要把原边靠近副边的部分设计成1:1就可以减小噪声。
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EMI噪声是哪里来的?分为可接触的和不可接触的,如下图。可以通过时域波形进行分析。
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  1. 基于强制谐振反激零电压开通拓扑设计与分析
    电路增加了一个零电压开通的辅助管,如下图。
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    工作过程。在t0时刻,主MOS开通,在t1时刻关断主功率管,这部分与传统反激一样。主功率管关断之后,励磁电流对主功率管Coss充电,直到电压到Vin+Nvo。在t2-t3时刻,开通副边整流MOS(开通前有一个小delay),并且对辅助绕组的电容充电(通过MOS的体二极管)。T4-t5时刻,主管关断,SR关断,原边电感和Coss谐振。T5-t6时间,辅助管开通,负向电流Izvs开始线性上升,主功率管关断,主功率管的Coss电荷被抽走,此时Vds下降到0,则下次开通的时候就是零电压开通。如下图所示。
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    对这种拓扑在设计的时候要考虑ZVS的开通时间,也就是ZVS管的脉冲宽度,需要根据输入电压,MOS寄生参数等参数进行计算。如下图所示。
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  2. 基于不对称半桥反激拓扑设计与分析
    比较新,仍在研究。如下图。这种拓扑是调占空比进行控制的,与LLC不同。
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    工作原理如下图所示。
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因为不对称半桥中不仅使用储能电感,还是用了谐振腔来储能,所以可以使得变压器的体积变小。如下图所示。当低压的时候,谐振电容储能占主要部分,高压的时候,变压器储能占主要部分。
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总结:如下图。
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