3.3 基于氮化镓和硅管的有源嵌位反激变换器的比较 (3)

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大家好 我是德州仪器的系统工程师 David 今天非常高兴和大家一块分享 基于氮化镓和硅管的有源钳位反激变换器的比较 第三章 今天的主要内容介绍 器件结电容的非线性对有源钳位反激的影响 以及解决方案 首先研究发现 合适的钳位电容选择 有助于减小上端平坦区域的影响 左边的图是用硅管的有源钳位反激的例子 钳位电容为 100 纳法 可以看出上管关断时谐振过程已经结束 励磁电感的负电流 是给上端结电容放电的唯一电流 当钳位电容增大到 600 纳法时 上管关断时谐振过程还未结束 钳位电容的负电流变成 另外一个电流源来给上端结电容放电 基于此上端放电的时间会缩短负电流也会减小 所以能量判据为下面这个公式 另外发现下管的开通电压点 有助于减小下端平坦区域的影响 下面是硅管结电容的曲线 如果零点压开通条件 是等到开关点的电压下降为零时开通 这就需要比较大的负电流 如果在结电容开始增加比较快之前 开通下管 电流能在一定程度上减小 在这里我们称它为部分零电压开通 例如部分零点压的点选在 20V 有大约 11% 的原边有效值电流 和峰值电流的减小 这样会减小原边绕组的铜损和铁损 下面这张图也显示了部分零电压开通 有大约 0.5% 个点的效率的提升 接下来我们继续对 硅管的部分零电压的策略做深入的研究 零电压点从 0V 到 60V 总的损耗的减小 如下图所示 可以看出当零电压点在 20V 时 可以获得最小的损耗 当超过20V时损耗的减小会越来越小 这里可以从有效值的减小 和开关损耗的增加的观点来理解 随着零电压点的增大有效值电流减小 但是下管开通的损耗在增加 因为对于硅管当电压大于 10V 时 开关损耗上升的速度 远远大于有效值电流的减小的速度 所以对硅管来讲 零电压点选在 10V 到 20V 之间 是比较合适 而对于氮化镓 选择为 0V 开通比较合适 开关节点的结电容 不仅由原边管子的结电容 而且也由副边管子的结电容组成 在这张表中对比了 不同的副边整流方式的钳位电流的有效值 当采用二极管整流时 开关电流的波形基本一致 不同的是开关电流的有效值和峰值电流 当采用同步整流时 开关电流的波形极其不同 原边采用硅管在谐振开始时 有很小的电流跌落 有效值电流的减小并不是太多 当原边管子为氮化镓 在谐振开始时有非常大的电流跌落 这个电流跌落有助于减小有效值的电流 可以看到有大约 34% 的减小 总结以上实验内容可以看到 当原边采用氮化镓 而副边采用同步整流MOS管时可以达到 最小的有效值的电流的减小 下面我们详细介绍 这个电流跌落是如何造成的 所以原边励磁电流跌落现象可以通过检查 漏感上电压的变化来理解 这个电压的变化就是 副边绕组反射电压和原边绕组上电压的差值 下面分硅管和氮化镓分别阐述 对于硅管来讲 基本上可以忽略的电流跌落现象 是因为在电流跌落时同步整流管关断 匝比乘以 VSEC 等于同步整流管子漏极电压减去输出电压 同样当因为上管关断了 VPRI 等于钳位电容电压减去上管的漏源电压 由于原边和副边都是用的硅管 MOS 管的结电容随着漏源电压变化非常明显 左下角这张图 左下角这张图 对比了上管以及同步整流管结电容的非线性 结果显示在开关节点电压比较高的区域 上管的结电容小于同步整流管的等效结电容 在节点电压比较低的区域 上管的结电容 比同步整流管的等效的结电容大得多 所以可以看到 当峰值励磁电流放电这两个电容 电容的不同导致不同的 VPRI 和 匝比乘以 VSEC 不同的上升斜率 在前面的区域 VPRI 上升得比匝比乘以 VSEC 快 是因为上管 COSS 的电容比较小 在第二个区域 VPRI 上升得慢 主要是因为上管的结电容变得非常大 上升斜率的不同促使 漏感上的电压的极性的不同 在第一个区域 漏感上电压为负值所以电流减小 第二个区域漏感电压为正值所以电流增大 这也就解释了 为什么在开始的时候有电流的跌落 接着就消失了 如果不考虑电流跌落的影响 初始的谐振值几乎等于峰值励磁电流 因此副边同步整流 仅仅可以减小副边的一个导通损耗 对于氮化镓来讲电流跌落现象非常明显 这样减小了初始谐振的钳位电流 这是因为在电流跌落时同步整流管关断 匝比乘以 VSEC 等于同步整流管子漏极电压减去输出电压 这是因为在 VDS 整个范围内 氮化镓的结电容始终小于 同步整流管的等效的原边的电容 因此当峰值电流开始放电原副边电容 VPRI 上升的斜率始终高于匝比乘以 VSEC 所以在漏感两端的电压始终为负 在谐振开始前电流始终减小 在这种情况下 基于氮化镓的同步整流有源钳位反激 不仅仅可以减小副边的通态损耗 而且可以减小上管和原边绕组的通态损耗 谢谢大家
课程介绍 共计5课时,30分41秒

2018 PSDS 研讨会系列 - (3) 基于氮化镓和硅管的有源嵌位反激变换器的比较

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从2元和3元谐振拓扑基础开始,本课程将介绍谐振拓扑的关键特性,分析方法,控制挑战和设计考虑事项。 三个设计实例展示了具有高开关频率(〜1 MHz)或宽输出电压调节范围(2至1个输出电压调节水平)的谐振拓扑性能。 本次会议还介绍了一种新型谐振拓扑结构CLL谐振转换器,与传统的LLC串联谐振转换器相比具有尺寸和效率的优势。 最后,本课程为如何为各种应用选择最佳谐振拓扑提供指导。
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