高频高效有源钳位变换器控制环路设计及动态优化文献综述

 2023-08-04 17:41:44
  1. 文献综述(或调研报告):

自从几十年前,反激变换器被提出之后,已经有了许多进步。一方面,越来越小的体积使得反激变换器从笨重到轻便再到迷你;一方面,许许多多新的控制技术被应用于反激变换器,使得反激变换器的性能得到提升,转换功率的效率更高,抗干扰能力更强。高开关频率和高效率是减少电源适配器尺寸的关键[1]。有源箝位反激(ACF)拓扑允许零电压软开关(ZVS)在所有线路和负载条件下,消除泄漏电感和缓冲损耗,并允许高频和高功率密度功率转换[2]。

对于有源箝位反激转换器,使用GaN器件作为1mhz功率开关,可以保持良好的效率和热性能。为了实现高频操作,还必须对磁性元件进行优化和小型化。图1为研究的有着较低的箝位电容Cr的有源箝位谐振反激变换器的原理图[3]。

在图中,S1为主开关;S2是一个辅助的了有源箝位开关。S1和S2都是氮化镓晶体管。S3是一个同步整流(SR)开关,采用小型增强型的GaN (E-GaN)晶体管。Cr是谐振电容器。T1是一个匝数比为n、磁化电感为Lm、等效漏感为Lr的变压器。对于开关,只考虑等效寄生电容Coss1、Coss2、Coss3和体二极管。Co是一个输出电容。Ro是等效电阻负载。当主开关S1关闭时,磁化电感Lm和变压器漏感Lr与箝位电容Cr谐振。这意味着谐振电路像LLC转换器一样工作。这种谐振技术提供了一些优势:S1和S2在主侧实现ZVS,并且在次侧的S3仍然保留ZCS。

随着商用增效型氮化镓(eGaN)高电子迁移率晶体管(HEMTs)的发展,转换器的开关速度和性能可以提高到超过传统硅基场效应晶体管所允许的的水平[4]。与硅基场效应晶体管相比,基于氮化镓的开关器件具有更好的优点,可以在器件损耗更少的情况下以更快的速度进行开关。但是,基于氮化镓的开关器件的缺点之一是反向导电性能差。

有源箝位反激变换器与传统的反激变换器类似,但是增加了一个额外的有源箝位电路来回收储存在变压器寄生漏电感中的能量[5]。该能量用于放电开关器件的寄生输出电容,使其实现零电压开关。

传统的ACF工作在连续导通模式(CCM)。由于漏感本身并不能储存足够的能量来实现完全的ZVS(零电压软开关),所以ACF通常需要额外的外部电感。输出整流二极管或同步整流(SR)的关断是很难切换的,它会在整流器中产生电压振铃,并且需要一个缓冲器来抑制噪声或电压超调[6]-[8]。CCM的另一个问题是,谐振电感中储存的ZVS能量随着负载的减小而减少。在轻载时,ZVS丢失,导致效率低下。由于这些限制,在高开关频率下使用CCM ACF比较困难。高峰值和有效值电流应力是ACF在不连续传导模式(DCM)下工作时的一个特殊问题,它实际上是增加输出功率的一个主要危害。DCM操作将会导致比CCM操作更大的尖峰电流应力和有效值电流[9]。

为了使输出电压在输入或负载发生变化时获得更大的稳定性,输出电压反馈控制方案得到了广泛的应用,同时对反馈控制模型做了的大量的研究。数字控制是一种新兴的控制方式,它带来了更多的优点,包括对参数变化不敏感、易于实现、外部组件更少。数字控制可以解决有限的带宽或与模拟控制相关的大增益变化,为ACF转换器增加频率到MHz范围[10]。此外,反馈的准确性是反馈控制方案中的一个关键性问题,无论是在数字控制还是在模拟控制中。

在buck、boost、buck-boost等非隔离电源变换器中,输出电压可以直接、准确地反馈给控制器。但在一些孤立的功率变换器中,如反激式变换器,输出电压通常不能直接反馈,因此需要对输出电压反馈给予更多的处理。图2所示为传统的反激变换器,该变换器使用光耦反馈输出电压,而不破坏输入和输出之间的隔离[14]。

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