二次整流电路设计难点解析

在电源工程师欢呼有源钳位正激转换器(ACFC)突破50%占空比限制之际，一个被长期忽视的设计陷阱正在浮现——最小占空比(Dmin)的精细控制已成为决定系统可靠性的生死线。实测数据显示，当Dmin低于15%时，ACFC的开关损耗会陡增300%，电磁干扰(EMI)恶化达18dBμV。

在电源工程师欢呼有源钳位正激转换器(ACFC)突破50%占空比限制之际，一个被长期忽视的设计陷阱正在浮现——最小占空比(Dmin)的精细控制已成为决定系统可靠性的生死线。实测数据显示，当Dmin低于15%时，ACFC的开关损耗会陡增300%，电磁干扰(EMI)恶化达18dBμV。

本文以隔离式ACFC电源为例，阐述最小占空比对设计的影响。该转换器用于将输入24 VAC或48 ~ 60 VDC，转化为15VDC，1.5 A输出。其隔离特性使其适合为现场工业应用供电。ACFC拓扑帮助实现了高达91%的峰值效率。设计要求如表1所示。

表1. 设计要求

ADI公司的 MAX17598是有源钳位电流模式PWM控制器，其中包含隔离正激转换器电源设计所需的所有控制电路。本文深入探讨了二次自整流电路设计的考虑因素和评估结果。

二次自整流电路的设计考虑

ACFC通过使用自整流电路，实现了更高的效率。图1为基于MOSFET的典型自整流电路原理图。与传统的二极管整流电路相比，MOSFET的导通电阻更低，所以其电路效率更高，尤其是在低电压、大电流输出的情况下。

图1. 通用输出自整流电路

然而，当输出电压接近或超过 MOSFET栅极电压工作范围时，这个设计就不合适了。我们可以通过附加电路来产生这些MOSFET的栅极驱动电压。图2为该电路的细节信息。G1和G2连接到变压器的辅助绕组。

图2. 辅助绕组变压器中的栅极驱动电路

栅极1连接到N2的栅极（如图1所示），栅极2连接到N1的栅极。栅极1和栅极2与开关周期同步。当栅极1输出高电平时，栅极2输出低电平，反之亦然。完整电路如图3所示。

图3. 性能测试使用的示例电路

该环路必须确保输出处于MOSFET VGS的工作范围内。公式1反映了栅极驱动电压与匝数比之间的关系。


KGATE为变压器比率。NG为变压器绕组的匝数。NP为变压器初级绕组的匝数。VGATE_MAX为MOSFET栅极驱动电压的最大电压。VDC_MAX 为直流输入电压的最大电压。

当初级环路的主开关闭合时，施加于变压器的电压为正，即 VDC。因此，栅极1的输出为高电平，栅极2的输出为GND。它与匝 数比和直流输入电压有关。


当主MOSFET关断时，钳位电路将漏极电压限制为VCLAMP。VCLAMP高于VDC，因此栅极1的输出为GND，而栅极2的输出为高电平。

钳位电压可通过下式计算：


栅极2的电压与匝数比以及VCLAMP和 VDCINPUT之间的差距有关。


占空比会随输入电压而变化，因此必须确保栅极的驱动电压能 够以完整的 VIN范围驱动MOSFET。应用最大直流输入和最小导通率 时，栅极驱动电压将达到最小值。

p>在设计示例中，栅极2最低电压可依照式5进行计算。当输入直流电压达到最大值时，栅极2上的电压只有4.23 V。


如果该电压低于VGS导通阈值，则二次整流电路的MOSFET将无法准确工作。这可能导致当输入电压接近最大值时，电源在没有任何负载的情况下无法启动。在示例电路中，VGS阈值电压为3 V， 小于计算出的最小VGATE2 。

图4为示例电路的测量结果。CH1为栅极1的电压。CH2为栅极2的电压。CH4为主面N-MOS的源漏电压。

图4. 栅极1和栅极2电压以及MOSFET漏极电压(VIN = 60 V) 。

示例电路的性能

为了验证栅极驱动电路计算的准确性，我们对示例电路进行了性能测试。图5为不同负载电流（0A、0.5A、1A、1.5A）下的输入和输出电压。

图5. 不同负载下的输入和输出电压

图6显示了输出电压水平如何随输出电流不同而变化。不同的线表示不同的输入电压。

图6. 输出电流和输出电压

图7为不同输入电压和负载下的峰值效率。当输入为36 V、输出为1.5 A时，峰值效率达到91%。

图7. 峰值效率

波特图显示了峰值效率工作条件下的环路稳定性，即 VDCINPUT = 36 V、 IOUTPUT = 1.5 A。

图8显示了环路响应。

图8. 波特图

图9和图10显示了输出峰峰值电压。图9是无负载电流的情况，图10是满负载的情况。

图9. 空载时输出峰峰值电压

图10. 满负载1.5 A时输出峰峰值电压

图11和12显示了负载瞬态响应。图11为负载从零变为满负载。图12为负载从满负载变为零。CH1测量的是输出电压（交流耦合）。CH2测量的是输出负载电流。

图11. 瞬态响应（0 A至1.5 A）

图12. 瞬态响应（1.5 A至0 A）