双开关准谐振反激式转换器分析.docx

双开关准谐振反激式转换器：经济高效的 LLC 谐振转换器替代产品来源：作者：HangseokChoi博士摘要本文介绍了双开关准谐振 (QR) 反激式拓扑结构，这是一种经济高效、质量可靠的 LLC 谐振转换器替代产品，符合能效法规。提议的拓扑结构具有出色的效率性能，同时能保持传统反激式转换器设计简单的特点。它在中低负载下比 LLC 谐振转换器效率更高，从而平均效率更高，最终使其符合能效法规。它的待机功耗也比 LLC 谐振转换器更低。提议的解决方案对变压器容差和栅极驱动时序不太敏感，因此还能够以更低的成本实现更强大、更可靠的电源设计。提议拓扑结构的有效性已在 90W 原型电源中得到了验证。I.引言电源设计人员正面临着设计可提供更高效率、更高功率密度、更低待机功耗以及更高可靠性的电源转换产品的挑战。一如既往，这些产品需要快速开发和推向市场，而且成本要低。近来，LLC谐振转换器已引起注意，因为它比传统的 PWM 转换器更具优势，如高效率和低电磁干扰 (EMI)。然而，LLC谐振转换器复杂的设计和高昂的制造成本成为将此拓扑结构应用于要求短设计周期和低制造成本电源的障碍。 LLC谐振转换器的另一个问题是初级端需要较大的循环电流以保持零电压开关 (ZVS)，这会导致轻负载下相对较高的功耗。在采用这种拓扑结构的多项应用中，需要辅助备用电源来保证轻负载效率。由于两个开关采用图腾柱输出配置，LLC 谐振转换器还具有固有的直通问题。当两个开关同时导通时，由于开关噪声或电磁干扰，会导致破坏性故障。当在前端采用功率因数校正 (PFC) 时，提高整个电源系统效率的一个常用技巧就是降低低压线路的 PFC 输出电压。这可降低在低压线路中升压PFC的开关和电导损耗，从而提高效率。然而，下游 DC-DC 转换器需要较宽的允许输入电压范围，而 LLC谐振转换器的输入电压范围相对较窄，从而限制了这种技术的应用。为了克服LLC谐振转换器的局限性，特此提议双开关 QR 反激式转换器。双开关配置几乎消除了钳位电路中的损耗，同时，QR 开关可有效降低开关损耗并实现高效率。由于允许的输入电压范围相对较宽，因此可结合低压线路中降低的PFC输出电压，进一步提高整个系统的效率。在90W的双开关QR反激式转换器上实现并测试了本提议方案。测试结果与LLC谐振转换器进行了比较。II.提议的解决方案图 1显示了提议双开关 QR 反激式转换器的简化原理图。 FAN6920 是将边界导通模式 (BCM) PFC 控制器和 QR PWM 控制器结合在一起的 IC。 FAN7382是高端驱动器，用于驱动两个 MOSFET（栅极驱动信号来自 FAN6920）。 FAN6204 是一个同步整流控制器。?图1. 双开关QR 反激式转换器的简化原理图BCM PFC 工作模式在BCM PFC级工作模式中，当电感电流归零时，位于连续导通和不连续导通工作的边界，开始新的开关周期，如图 2所示。虽然相比连续导通模式 (CCM)，在边界导通模式 (BCM) 中，电感和开关设备需要更高的 RMS 电流，但它可为MOSFET和二极管提供更好的开关条件。如图3所示，升压电感限制了二极管电流的压摆率(di/dt)，这实际上消除了二极管的反向恢复，从而可使用低成本的快速恢复二极管。当二极管电流达到零时，MOSFET 的漏极电压因 MOSFET输出电容和升压电感器之间的谐振产生振荡，如图 3所示。谐振振幅是PFC输出电压和瞬时 PFC 输入电压之间的差异，当输入电压低于 PFC 输出电压一半时，实现零电压开关。当输入电压高于PFC输出电压一半时，实现接近零电压开关 (谷值开关)。?图2.BCM PFC 的电感电流波形???图3.升压功率级开关波形??图4.升压功率级开关波形低压线路中降低的 PFC 输出电压通常，PFC 输出电压被设定为 400V 左右，这样可使PFC输出电压始终高于普遍范围的线电压峰值。对于低压线路，高输出电压需要非常大的占空比，以获得较大的电压增益，这会导致 MOSFET 中具有较大的 RMS 电流。由于 MOSFET 导通损耗与电流的平方成正比，而二极管的导通损耗与电流成正比；因此当更多的电流流经较大占空比的 MOSFET 时，会产生更多的传导损耗。提高PFC效率的一项常用技术是降低低压线路中的 PFC输出电压。这会降低低压线路中升压PFC的开关和电导损耗，提高效率，如图 5和图 6所示。图 7显示了在低压线路中，如何使用不同的PFC输出电压设置来提高PFC效率。如图所示，较低的 PFC 输出电压时，效率更高，而在轻负载情况下，效率更高。?????? 图5.降低PFC 输出电压的影响（之前）?????图6.降低PFC 输出电压的影响（之后）?????图7.不同PFC 输出电压的 PFC 级效率（115VA