有源钳位变换技术 高边 低边

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1、等级：内部密 翻译：周月东 版本：V1.2（枪版）文档资料来自 TI,ON 文档 2010- 05- 04 有源钳位变压器复位：高边还是低边？ 摘要 有源钳位变压器复位技术相比传统单端复位技术有很多优点，如主开关 MOS 应 力较低，能在零电压开关，减少 EMI 电磁干扰和占空比可以大于 50%。使用有 源钳位的单端正激拓扑是目前最流行的，同样可以使用于反激电路。大量的文章 报道了有源钳位技术比更为广泛的 RCD 钳位，线包复位和谐振复位性能要好。 但是，具体应用是如何获得通过优化电路来获得有源钳位的最佳性能。 1.简介 本文所写的有源钳位技术是有源钳位电路直接加在变压器初级两端或者直接加 在

2、主 MOS 开关两端。有趣的是作者对低边和高边的应用两者的优缺点提的很少 或没有解释。在变压器高边和低边有源钳位应用中存在细微且应注意的差别。 不 同的电压在应用有源钳位复位时，导致不同的传输过程。这将影响钳位电容的容 值和电压以及栅极驱动电路。 2.低边钳位 图 1 所示为一个有全波整流和 LC 滤波的基本单端正激变换器。 当主开关管 Q1 导通是，输入电压全部加在变压器励磁电感上，此过程为功率传输过程。 当辅助开关管 Q2 导通时，钳位电压加在励磁电感上的电压和 Q1 开通时相反，这个为变 压器复位过程。低位钳位的特殊之处是辅助开关管 Q2，因为体二极管的方向，只能放置一 个 P 沟道 M

3、OS。因为这个原因，主要考虑低栅电荷 MOS，低 RDS为次要。 （意思是说低栅 电荷更重要）在 Q1 关闭，Q2 开通期间，还要加入死区时间。在死区时间期间，电流任然 通过辅助 MOS 的体二极管 Q2 或主 MOS Q1。 这就是俗称的谐振周期， 具备了零电压 （ZVS） 开关的条件。 这是有源钳位重要且独特的特征， 但是这对于高边钳位还是低边前面没啥意义。 忽略漏感，低位钳位传输函数可以用变压器励磁电感伏秒平衡原则推导出。 D*VIN=(1- D)*VC(LS)- (1- D)*VIN（eq.1） 简化方程式 1，得到钳位电压 VC(LS),得： VC(LS)=INV D * 1 1 （

4、eq.2） 值得注意的是方程式 2 跟非隔离 BOOST 变换器传递函数一样，这就是低边钳位通常被称 为升压（BOOST）型钳位。 等级：内部密 翻译：周月东 版本：V1.2（枪版）文档资料来自 TI,ON 文档 2010- 05- 04 方程式 2 的结果给出了钳位电压和输入电压的传递函数关系。 但是， 注意图 1 中 MOS Q2 导通时，钳位电压加在主 MOS 的 D,S 之间而非变压器励磁电感两端，因此公式 2 可以扩展 写成主 MOS 的 D ，S 电压应力。 VDS(LS)=VC(LS)=INV D * 1 1 （eq.3） 在变压器复位期间，变压器初级极性反转，变压器初级边的电压

5、为： VRESET(LS)= VC(LS)- VIN（eq.4） 将公式 2 代入公式 4 简化得出输入电压和钳位电压关系传递函数为： VRESET(LS)=INV D D * 1 （eq.5） 另外，单端正激变换器的占空比 D 可以用输入电压，输出电压和变压器的匝比 N（N= s p N N ） 来定义。 D=N V V IN O * （eq.6） 将公式 6 代入公式 3 和 5， 简化得用 VIN,VO和 N 表达的 VC(LS)和 VRESET(LS)的表达式， 如下公 式 7,8： VDS(LS)=VC(LS)= OIN IN VNV V * 2 （eq.7） VRESET(LS)=

6、 OIN INO VNV NVV * * （eq.8） 对于固定输出， 固定匝比的钳位电压， 变压器复位电压波形和输入电压的关系可以用图形表 示。用输出电压为 4V（3.3V 加上压降） ，图 2 绘制出不同变压器匝比的公式 7 的结果： 等级：内部密 翻译：周月东 版本：V1.2（枪版）文档资料来自 TI,ON 文档 2010- 05- 04 图 2 中得出，在输入电压最低时（最大占空比 D） ，MOS 的电压应力急剧变化。因为这个原 因，如图 4 中 PWM 控制器 UCC2891，必须提供准确的最大占空比限制能力。急剧变化的 结果能破坏 MOS 的耐压或超过 MOS 的额定耐压。从有源钳

7、位设计的角度，图 2 所示的波 形可以帮助开始设计功率级。可以通过极端输入电压相对稳定的 VDS(LS)值选择变压器的匝 比。图 2 所示工作在全电信输入电压范围（36VVIN75V）,根据 VIN=36V 和 VIN=75V 时 的 110V 选择的匝比 N=6 的典型正激变换器。图 2 中 MOS 的电压同样可以看成钳位电容 CcL的电压。因此，箝位电容的选择必须能够承受降额后的全部钳位电压（钳位电压给一定 的降额因子） 。选择了匝比为 6 后，同样能够通过公式 8 绘制出钳位电压和输入电压的关系 如图 3： 3.低边钳位门极驱动注意事项 既然确定了辅助 MOS 低位钳位，必须放置一个 P

8、 沟道 MOS，需要充分的负栅极电压 加在驱动上。然而大多数 PWM 控制器或门极驱动器不产生低于参考地的负电压输出。图 4 所示一个门级驱动器加在低边钳位上， 低边驱动电路或 PWM 门极信号可以直接驱动 P 沟道 MOS。无论驱动信号来自谁，主开关的驱动电压必须和辅助开关的驱动电压同步同相，如 图 4 所示的时间图（没有死区延时） 。使用先进的 PWM 控制器，如 UCC2891，驱动 MOS 就简单了。内部有2A 的驱动器，用户可编程死区时间和精确最大占空比限制，UCC2891 提供了精确的相位和专为低边有源钳位设计的驱动信号。 首先，PWM 驱动信号，VAUX为正，D1 和 C1 正向

9、偏置充电为负 VAUX电压。然后电容器的 等级：内部密 翻译：周月东 版本：V1.2（枪版）文档资料来自 TI,ON 文档 2010- 05- 04 电压通过 R1 放电。 如果公式 9 中 RC 时间常数比开关周期长， C1 两端的电压保持相对稳定。 Q2 栅极就产生一个相对于 0V 的负 VAUX电压。 因此 VAUX有效的转换为负， 能够充分驱动 P 沟道 MOS： R1*C1 PWMF 100 （eq.9） 4.高边钳位 图 5 所示跟图 1 一样的正激变换器的高边钳位图： 跟低位钳位一样，当主 MOS Q1 导通时，输入电压施加在变压器的励磁电感上，被称为功 率传输过程。当辅助 MO

10、S Q2 导通时，钳位电压 Vc(HS)直接加在变压器的励磁电感上,这个 称为变压器的复位过程。这跟施加在主 MOS 的 D,S 两端的低边钳位是完全不同的。因为体 二极管的原因，高边钳位 MOS 管必须是 N 沟道的。跟低位钳位类似，主要损耗来自门极充 电损耗，所以 MOS 同样必须选择低门极电荷的。 忽略漏感，高位钳位传输函数可以再次用变压器励磁电感伏秒平衡原则推导出。 D*VIN=(1- D)*Vc(HS)（eq.10） 简化公式 10，得钳位电压 Vc(HS) Vc(HS)=INV D D * 1 （eq.11） 有趣的是公式 11 跟非隔离反激变化器的传递函数一样， 所以高边钳位也叫

11、反激型钳位。 公式 11 传递函数的结果表达了输入电压跟钳位电压的关系。从图 5 中知道 Q2 导通是， 输入电压直接加在变压器励磁电感上。因此展开公式 11 得 VRESET(HS)得表达式为： VRESET(HS)=Vc(HS)=INV D D * 1 （eq.12） 在变压器复位期间，变压器的极性反转，所以主 MOS 的 D,S 之间的电压为： VDS(HS)=VIN+Vc(HS)（eq.13） 如果展开公式 11 得到的 Vc(HS)代入公式 13 ，得到输入电压和 MOS 的漏源极电压的传 递函数为： VDS(HS)=INV D * 1 1 （eq.14） 等级：内部密 翻译：周月东

12、 版本：V1.2（枪版）文档资料来自 TI,ON 文档 2010- 05- 04 公式 6 代入公式 12、14，简化得用 VIN、VO和 N 表达的 VRESET(HS)和 VDS(HS)公式: VRESET(HS)=Vc(HS)= OIN OIN VNV NVV * * （eq.15） VDS(HS)= OIN IN VNV V * 2 （eq.16） 公式 15 的结果可以用图形表示固定输出， 固定匝比的钳位电压， 变压器复位电压波形和输 入电压的关系可以用图形表示。用输出电压为 4V（3.3V 加上压降） ，图 6 绘制出不同变压 器匝比的公式 15 的结果： 因为通过公式 16 得到

13、的图形 6 跟公式 7 得到低位钳位的一样，因此图 2 也可代表公式 16 的结果。 5.高边钳位栅极驱动注意事项 跟图 4 所示的低边钳位不同， 高位钳位使用 N 沟道的 MOS 做为辅助开关。 假设 PWM 芯片内部没有内置高边驱动器，就要用如图 7 中 1:1 的驱动变压器或者专用高边驱动芯片。 高边驱动电路中主开关的驱动电压也必须和辅助开关的驱动电压异步异相， 如图 7 所示 （没 有死区延时） 。 UCC2893 的电气性能跟图 4 所示的 UCC2891 一样，只有一点不同，UCC2891 内置低边 钳位电路，UCC2893 则提供了精确的相位控制和高边钳位驱动信号。因此，UCC2

14、893 提供 的主，辅输出相位相反，如图 7 中的时间图： 等级：内部密 翻译：周月东 版本：V1.2（枪版）文档资料来自 TI,ON 文档 2010- 05- 04 6.钳位电容的选择 无论是高边钳位或低边钳位， 变压器初级的伏秒必须使得复位电压相等。 因为两种电路 的 MOS 电压力和变压器复位电压都是一样的，但是必须考虑钳位电容两端电压的变化。钳 位电容电压变化的细节可以看出钳位电压传输函数的不同。 VC=Vc(LS)- Vc(HS)（eq.17） 公式 2 和 11 代入公式 17 得： VC=ININV D D V D * 1 * 1 1 =VIN（eq.18） 公式 18 的结果是

15、低压钳位电压像比高压钳位电压要高压输入电压，图 8 所示三者的关 系： 因此，钳位电容的选择首先要知道在给定的输入电压范围内电容的耐压。图 8 所示 VC随输入电压线性变化。高输入电压时，高边钳位的电压应力较小。然而电容的选择必须 基于最低输入时的钳位电压，最大占空比，本例中约为 80V。 钳位电容的容量值选择主要是要能承受其纹波电压。此外，假设电容的容量足够大， 其 等级：内部密 翻译：周月东 版本：V1.2（枪版）文档资料来自 TI,ON 文档 2010- 05- 04 钳位电压近似一个恒定的电压。 但是， 根据公式 2、 11 看出钳位电压随输入电压变化的关系。 无论怎样都要控制占空比突

16、变或线性暂态， 它要取钳位电压总时间的一部分， 变压器的钳位 电压也随之变化。大容量电容产生较少的纹波电压，但是限制瞬态响应。较小容量电容在高 纹波电压下瞬态响应快速（意思是说，容量小了，纹波电压高） 。理想的钳位电容选择必须 承受一些纹波电压但是有不能超过主 MOS、 Q1 的漏源电压应力。 允许大约 20%的纹波电压， 同时注意主 MOS 的 VDS。 一个简单的方法来得到 CcL,就是使得谐振时间常数远大于最大关闭时间。 虽然其他因素 如功率传输时间，控制回路的带宽等也会影响瞬态响应，公式 19 的办法从有源钳位的角度 看保证了瞬态响应。 (max)*10*2OFFCLmagtCL（eq.19） 公式两边同时除以总时间周期 T，通过已知的参数可以解出 CcL: CcL () ()2 2 *