在有源钳位正激转换器中实现自驱动同步整流

作者：Randyco Prasetyo，产品应用工程师
Michael Wu，产品应用工程师

摘要

自驱动同步整流能够提高有源钳位正激转换器的效率，同时避免使用隔离式次级侧栅极驱动器。本文回顾了传统自驱动方案的工作原理，并指出了它在实际应用中的局限性。文中提出了一些简单的电路修改方案，以扩展可用工作范围，使方案适用于高输出电压和低输出电压设计。文中还包含了使用有源钳位正激控制器的实测应用示例，以展示实际性能和设计中的权衡取舍。

引言

在电信基础设施、数据中心、工业自动化和汽车电子等应用中，随着对大电流、低电压电源的需求日益增长，对效率、热性能和功率密度也提出了更高要求。随着负载电流持续上升，与输出整流相关的功率损耗在整体转换器效率中的占比越来越大。在许多隔离式DC-DC转换器设计中，次级侧整流二极管成为主要瓶颈，限制了电流能力和热性能的提升。

解决整流损耗的最有效方法之一是同步整流，即用功率MOSFET替代变压器次级侧的二极管。由此带来的效率提升可直接转化为功耗降低、热裕度改善、连续输出电流能力增强。

尽管具有上述优势，同步整流在隔离式转换器架构中仍面临若干实施挑战。其中之一是需要为次级侧MOSFET生成合适的栅极驱动信号，同时保持与初级侧控制器的隔离。传统解决方案通常采用专用的隔离式栅极驱动器或复杂的次级侧控制电路，两者均会增加成本、复杂性和元件数量。

对于输入电压范围有限的转换器拓扑（通常变化不超过2倍），自驱动同步整流提供了一种简洁且低成本的替代方案。在此方案中，同步整流器的栅极驱动信号直接取自变压器次级电压，从而无需专用驱动IC。当与有源钳位正激转换器拓扑结合时，自驱动整流尤为适用，因为复位波形天然产生适合直接驱动MOSFET栅极的方波电压。

本文探讨了自驱动同步整流在有源钳位正激转换器中的应用原理。文章描述了基本工作机制，指出了传统实现方式的关键局限，并提出了可扩展可用输出电压范围的实用电路修改方案。文中讨论了使用ADI公司有源钳位正激控制器的测试应用实例，以说明实际性能和设计注意事项。

有源钳位正激转换器概述

有源钳位正激转换器是传统单端正激拓扑的演进版本，旨在提高效率并降低初级侧开关器件的电压应力。在传统正激转换器中，变压器复位通常通过第三个复位绕组或电阻-电容-二极管(RCD)钳位网络来实现。此类方案尽管可行，但会消耗磁化能量，并对初级侧开关施加显著的电压应力。

相比之下，有源钳位正激转换器采用有源复位电路，由一个钳位电容和一个辅助开关（通常为MOSFET）组成，连接在变压器初级绕组两端。在主开关导通期间，能量从初级侧传输到次级侧，为负载供电，同时在变压器磁芯中建立磁化电流。当主开关关断时，钳位开关导通，使磁化电流与钳位电容发生谐振。此谐振过程在复位变压器磁通的同时，将存储的能量回馈至功率路径，而非以热量形式耗散。

这种有源复位机制具有多项显著优势。

•        降低初级侧开关电压应力：钳位电容限制了主MOSFET的漏源极峰值电压，使得可以使用额定电压更低、导通性能更优的器件。
•        零电压开关(ZVS)：主开关与钳位开关之间的谐振转换可在宽工作范围内实现ZVS，显著降低开关损耗。
•        改善电磁干扰(EMI)性能：软开关和受控电压转换减少了高频噪声的产生。
•        提高最大开关频率：较低的开关损耗使得转换器能够在更高频率下运行，从而提高功率密度。

凭借上述特性，有源钳位正激转换器在简单的反激转换器与更复杂的谐振拓扑之间占据了有利地位。此类转换器广泛应用于中高功率隔离应用中，可满足对于效率、可靠性和热管理的关键设计要求。

ADI有源钳位正激控制器

LT3752/LT3752-1和LT3753是高度集成的高性能有源钳位正激控制器，可有效减少外部元件数量、解决方案尺寸和成本。这三款器件可为单IC输出功率高达400W的应用提供紧凑、多功能且高效的解决方案。通过将转换器输出串联堆叠，可实现更高的功率水平。

LT3752/LT3752-1内置一个恒频反激控制器，用于生成辅助电源。后台管理电源可高效地为初级侧和次级侧IC提供偏置，无需从主正激变压器的辅助绕组生成偏置电源，从而显著降低变压器的复杂性、尺寸和成本。

后台管理电源可用于过驱动INTVCC引脚，以便从芯片外部取电、提高效率、提供额外驱动电流并优化INTVCC电平。
LT3752可用于高达100V的输入电压，适用于电信中间总线转换器和工业电源等应用。LT3752-1将工作范围扩展至100V以上，专为高压汽车电池系统和离线隔离电源而设计。LT3753为低电压、大电流设计提供了更大的灵活性。

这些控制器具备多项特性，可简化有源钳位正激设计，包括可编程开关频率、用于快速瞬态响应的电流模式控制、精确的可编程伏秒钳位以及可靠的保护功能。当与次级侧自驱动同步整流结合使用时，这些控制器能够以极少元件数量实现高效隔离电源解决方案。

自驱动同步整流原理

基本概念

在自驱动同步整流方案中，次级侧MOSFET的栅极驱动信号直接取自变压器次级绕组上的感应电压。由于这些电压与初级侧开关动作天然同步，因此可为同步整流器的导通和关断提供自然时序，无需额外控制逻辑。

在有源钳位正激转换器中，变压器次级侧产生两个关键电压。

•        正激开关波形(FSW)：对应于主正激开关的导通时段。
•        钳位开关波形(CSW)：对应于变压器复位期间钳位开关的导通时段。

这些波形近似方波，非常适合直接驱动MOSFET栅极。通过将同步正激MOSFET和同步续流MOSFET的栅极适当连接到这些信号，各器件可在开关周期的正确时段内导通，从而模拟传统二极管整流器的行为，同时大幅降低导通损耗。

应用示例

图1展示了一款5V、20A有源钳位正激转换器，设计用于36V至72V输入范围。在此示例中，有源复位电路由一个P沟道MOSFET (M2)和一个复位电容(C7)组成。钳位电容电压会随占空比自动调整，以确保在所有工作条件下变压器都能完全复位。


图1：采用LT1431的5V、20A有源钳位正激转换器，用于36V至72V输入范围，具备自驱动同步整流功能

由于复位波形近似方波，因此可直接用作次级侧MOSFET的栅极驱动信号。图2展示了用于驱动正激和续流同步整流器的CSW和FSW波形。

这种配置无需次级侧控制器或隔离式驱动器，在实现高效率的同时显著降低了成本和设计复杂性。


图2：自驱动同步整流波形

传统自驱动方案的局限性

尽管自驱动同步整流具有显著优势，但传统实现方式存在固有局限，主要源于其对变压器次级电压的依赖。具体而言，施加到次级侧MOSFET的栅极驱动电压与转换器输出电压成正比。这种依赖关系导致了两个问题工作区域。

•        高输出电压(>5V)：感应栅极驱动电压可能超过MOSFET的最大VGS额定值，从而影响长期可靠性或导致器件立即失效。
•        低输出电压(<2.5V)：可用的栅极驱动电压可能不足以使MOSFET完全增强，导致导通损耗增加和效率下降。

图3展示了这一局限，说明了在传统自驱动设计中栅极驱动幅度如何随输出电压变化。为确保在更宽的输出电压范围内可靠运行，需要对基本拓扑进行修改。


图3：在传统自驱动设计中，栅极驱动幅度随输出电压成比例变化


图4：这款24V输出自驱动正激转换器通过简单修改，利用DC2324A扩展了自驱动同步整流在高输出电压下的适用性

高输出电压应用的改进型自驱动方案

当转换器输出电压超过约5V时，首要任务是限制施加于同步整流MOSFET的栅源极电压。一个简单有效的解决方案是在变压器上增加一个专用于栅极驱动的辅助次级绕组。

通过仔细选择辅助绕组的匝数比，可以生成按比例缩小的次级电压，从而确保MOSFET栅极驱动保持在安全工作范围内。如图4所示，辅助绕组为正激和续流MOSFET提供栅极驱动电压。
在此配置中，连接到CSW和FSW节点的二极管可在适当时刻可靠地关断MOSFET。由于辅助绕组电压低于主次级电压，二极管在正常工作期间保持反向偏置，从而确保正确的开关行为。
这种简单修改扩展了自驱动同步整流在更高输出电压下的适用性，且不会显著增加复杂性或成本。

低输出电压应用的改进型自驱动方案

低输出电压设计面临着不同的挑战。当VOUT降至约2.5V以下时，即使经过匝数比优化的次级绕组也可能无法提供足够电压来使同步整流MOSFET完全增强。在这种情况下，仅添加辅助绕组并不足够，因为导向二极管的行为会发生变化，无法维持适当偏置。

为解决这一局限，图5所示的改进方案引入了额外的小信号MOSFET和一个电感，以对可用栅极驱动电压进行整形和放大。这些元件有效地将栅极驱动幅度与输出电压解耦，同时保留了源自变压器波形的正确时序。


图5：这款0.9V、15A输出自驱动正激转换器可在超低电压、大电流应用中实现高效同步整流

这种方法可在超低电压、大电流应用（例如0.9V、15A输出转换器）中实现高效同步整流，否则二极管损耗将非常高。尽管上述解决方案增加了一定复杂性，但仍比实现全控式次级侧驱动电路简单且经济得多。

实际设计中的注意事项

在实现自驱动同步整流时，必须仔细考虑多个实际因素。

•        MOSFET选择：器件应具有低RDS(ON)、适当的VGS额定值和快速体二极管，以最小化开关转换期间的反向恢复损耗。
•        变压器设计：绕组布局、漏感和耦合程度均会影响波形完整性和时序。必须仔细优化辅助绕组，以实现精确的电压缩放。
•        死区时间控制：虽然自驱动方案本身可提供正确时序，但寄生延迟可能导致短暂的交叉导通或体二极管导通。合理的布局和元件选择有助于减轻此类影响。
•        启动行为：在启动和轻载条件下，可用的栅极驱动电压可能会降低。确保在这些模式下稳定运行对于稳健设计至关重要。

密切关注这些细节可确保同步整流在实际应用中充分发挥预期的效率优势。

结语

自驱动同步整流是提高有源钳位正激转换器效率和电流能力的有力手段，同时可最大限度降低成本和复杂性。通过利用变压器衍生波形，设计人员无需专用次级侧驱动器即可实现高效隔离电源。

虽然传统自驱动方案仅限于狭窄的输出电压范围，但通过简单有效的修改，可将适用范围扩展到高电压和低电压输出。结合ADI公司的有源钳位正激控制器，此类技术能够提供紧凑且高性能的解决方案，充分应对现代电源转换挑战。

作者简介

Randyco Prasetyo是ADI公司高性能电源(HPP)部门的产品应用工程师。他获得了印度尼西亚Satya Wacana基督教大学的电气工程学士学位，并在加州州立大学圣路易斯奥比斯波分校攻读电力电子专业。他于2011年加入凌力尔特（现为ADI公司的一部分）。

Michael Wu是ADI公司的产品应用工程师。在高性能电源(HPP)部门工作，专注于单芯片降压、升压和降压-升压拓扑。他毕业于加州州立理工大学圣路易斯奥比斯波分校，拥有电气工程学士及硕士学位。