使用有源缓冲器提高相移全桥效率

本期，我们将介绍有源缓冲器的详细知识。

图 1 所示的相移全桥 (PSFB)在500W以上的应用中很受欢迎，因为它可在输入开关上实现软开关，从而提高转换器效率。虽然开关损耗大大降低，但输出整流器上仍会出现高压应力，因为其寄生电容会与变压器漏电感（建模为 Lr，如 图 1 中所示）谐振。输出整流器的电压应力可能高达2VINNS/NP，其中NP和 NS分别是变压器的初级绕组和次级绕组。

传统上，要限制输出整流器上的最大电压应力，需要无源缓冲器，例如电阻器-电容器-二极管 (RCD) 缓冲器，但使用无源缓冲器将消耗功率，从而导致效率损失。

图 1 对于具有无源钳位和波形的 PSFB 功率级，使用无源钳位会消耗功率，从而导致效率损失。

或者，您可以应用有源缓冲器来钳制整流器电压应力，而不消耗缓冲器电路中的任何功率（假定存在理想开关）。图 2 显示由 (CCL) 和 MOSFET (QCL) 形成的有源钳位桥臂 (ACL)插入到输出电感器之前。当输出绕组电压变为非零时，能量将从初级绕组转移到次级绕组，以便将输出电感器通电，还会通过QCL体二极管传导电流以对 C‌CL充电，即使 QCL未导通也是如此。您可以在 QCL体二极管已传导电流后将其导通，以在 QCL上确保零电压开关 (ZVS)。

图 2 对于具有有源钳位和波形的 PSFB 功率级，与无源缓冲器不同，有源缓冲器不会消耗功率电阻器上的振铃能量，而是作为无损缓冲器在 LC 谐振回路中实现能量循环。

请务必在有源钳位 MOSFET (ICL) 极性变化之前导通 QCL，以便在有效占空比 (DeffTS) 开始时完成 CCL上的电流秒平衡。换句话说，QCL只需导通足够长时间，即可使有源缓冲器的电流秒平衡按照预期发挥作用，从而将输出整流器电压钳位到 CCL电压 (VCL)。换句话说，QCL不需要在整个DeffTS期间内导通，只需在相对较短的时间段内导通。因此，QCL可以有一个固定的导通时间，即 QCL导通时间(DACLTS)是常量，同时保持 DeffTS始终大于电流秒平衡 (DCSBTS) 完成的持续时间。

这种方法解决了使用有源缓冲器时的一项挑战，因为变压器绕组电流不会单调上升，而如果使用峰值电流模式控制，这会是一个问题。这是因为有源缓冲电容器的能量还会参与使输出电感器通电，而不仅仅依赖于初级侧的能量传送。由于DeffTS大于 DCSBTS，因此当变压器电流单调上升时，可能进行峰值电流检测。由于具有较大 Deff的 PSFB 有望实现高效率，因此您可以将 PSFB 设计为在中高负载条件下具有较大 Deff，此时Deff>> DCSB。在轻负载条件下，转换器应该在不连续导通模式下运行，此时Deff将小于连续导通模式下的 Deff（在相同的输入/输出电压条件下）。为了使 DeffTS即使在轻负载条件下也大于 DCSBTS，您可以使用降频控制或突发模式控制。

因为 CCL纹波电压会影响输出整流器上的总电压应力，因此您必须选择足够大的 CCL以实现低电容器纹波电压。您还必须选择 CCL，以便由 Lr和 CCL形成的电感器-电容器 (LC) 谐振周期远长于由公式 1 表示的开关周期：

方程式 1

使用有源缓冲器时，整流器电压应力将钳制在VINNS/NP左右，这大约是没有任何钳位电路时电压应力的一半。与无源缓冲器不同，有源缓冲器不会消耗功率电阻器上的振铃能量，而是作为无损缓冲器在 LC 谐振回路中循环能量。因此，在相同规格下，与使用无源缓冲器的 PSFB 相比，预计使用有源缓冲器的 PSFB 转换器效率更高。

要了解决定 ACL 电流值的因素，您需要计算流经 ACL 本身的电流。图 3 展示了 ACL 导通周期的波形。

图 3 ACL 电流导通周期的波形。

假定VCL为常量且 Lm= ∞，则公式 2 在漏源电压上升时推算输出整流器 (iSR2) 一侧的电流，如下所示：

方程式 2

通过假定iSR2电流以恒定速率减小，公式 3 可推算 t2-t1的持续时间，如下所示：

方程式 3

由于 CCL需要保持电流秒平衡，因此面积 A1 和 A3 之和将等于面积 A2。通过所有这些信息，可以计算iCL的均方根 (RMS) 值。如公式 3 所示，同步整流器 (SR) 输出电容 (COSS) 控制 ACL 上的峰值电流。如果您选择较低 CossSR FET，则 ACL RMS 电流会更低，从而有助于提高转换器效率。

图 4 显示了德州仪器 (TI) 采用有源钳位的54V、3kW相移全桥参考设计的波形。该参考设计是一款400V 输入、54V 输出、3kW PSFB转换器，采用通过TI C2000 微控制器实现的有源钳位。在此设计中，变压器匝数比为Np:Ns = 16:3。当 ACL FET 在输出电感器通电期间仅导通300ns时，即使在3kW负载下，输出整流器电压应力（图 4 中的 Ch1）也限制为80V。较低的电压应力使得可以选用耐压等级较低、性能指标更优的 SR FET，从而进一步提升 PSFB 的效率。

图 4 具有有源钳位的 54V、3kW 相移全桥参考设计稳态波形。

这种控制方法不限于具有一个 ACL 的全桥整流器；您也可以将其应用于具有其他类型整流器的有源缓冲器，例如倍流器或中心抽头整流器。TI 推出的采用有源钳位、功率密度大于270W/in3的 3kW 相移全桥参考设计包含带有源钳位的400V 输入、12V 输出、3kW PSFB 转换器，其中次级侧使用中心抽头整流器。即使在3kW负载条件下，输出整流器应力（在 图 5 中为 Ch1）也限制为40V。

图 5 具有有源钳位的 3kW 相移全桥参考设计，功率密度大于 270W/in3 并提供稳态波形。

PSFB 转换器中有源钳位的优点

在 PSFB 转换器中实现有源缓冲器可显著降低输出整流器上的最大电压应力。电压应力的降低使得可以选用耐压更低的 SR FET，从而实现更优的性能指标。虽然有源钳位会在实现峰值电流模式控制方面带来挑战，但只要实现方式得当，依然可以实现有源钳位与峰值电流模式控制协同作用。与传统 PSFB 实现方式相比，这种组合可提高功率密度和效率。