如何使用非耗散钳位提高反激式效率

在反激式转换器的标准形式中，变压器的漏感会在初级场效应晶体管 (FET) 的漏极上产生电压尖峰。为防止此尖峰变得过大和损坏，FET 需要一个钳位网络，通常带有耗散钳位，如图1所示。但是耗散钳位中的功率损失限制了反激式转换器的效率。在这篇电源技巧中，我将研究反激式转换器的两种不同变体，它们使用非耗散钳位技术来回收泄漏能量并提高效率。

图 1 大多数反激式转换器都采用耗散钳位。

耗散钳位中的功率损耗与每个开关周期的漏电感中存储的能量有关。当 FET 导通时，变压器初级绕组中的电流增加到由控制器确定的峰值电流值。该峰值电流同时流过初级磁化电感和漏电感。当 FET 关闭时，磁化能量通过变压器的次级绕组传递到输出端。泄漏能量不通过变压器铁芯耦合，因此它保留在初级侧并流入钳位。

重要的是要了解，不仅泄漏能量在钳位中消散，而且还消耗了能量。一部分磁化能量也是如此。正如电源技巧 #17中所讨论的那样，将初级绕组电压钳位到远高于反射输出电压的水平可以限度地减少钳位中燃烧的磁化能量。

双开关反激式是回收泄漏能量的反激式转换器的常见变体。图 2 是双开关反激式的简化示意图。两个初级 FET 与它们之间的初级绕组串联连接。这两个 FET 同时开启或关闭。当它们打开时，初级绕组连接到输入端并通电至峰值电流。当它们关闭时，次级绕组将磁化能量传送到输出端，泄漏能量通过 D1 和 D2 回收回输入端。通过回收泄漏能量，双开关反激式电路比单开关耗散钳位电路具有更高的效率。

图 2双开关反激式将泄漏能量回收到输入端。

两个开关同时导通的事实在一定程度上抵消了效率的提高，因此导通损耗往往会增加，尤其是在低输入电压应用中。幸运的是，两个 FET 的漏源电压钳位到输入电压，因此与单开关反激式相比，您可以使用额定电压较低的 FET。钳位电压应力在高输入电压应用中也有优势。

效率增益与漏感与磁化电感之比有关，通常约为 2%。回收泄漏的能量除了提高效率之外还有其他好处。在高功率反激式应用（通常大于 75W）中，耗散钳位中的损耗会造成热管理噩梦。双开关反激式完全消除了这种热源。

这种更高效率和改进的热性能的权衡是以成本和复杂性增加的形式出现的。不仅需要额外的 FET；高端 FET 的隔离驱动器也是如此。此外，需要设置变压器匝数比，使反射输出电压小于输入电压。否则，输出电压将被钳位，变压器将无法正确复位。因此，双开关反激式固有地限制在 50% 的占空比。实际上，反射输出电压应充分低于输入电压，以允许漏感快速复位。

图 3 添加到单开关反激式的简单非耗散钳位。

图 3中的电路 显示了另一种回收泄漏能量的方法，但使用的是单开关反激式。这种非耗散钳位并不新鲜，但也不广为人知。然而，它提供了许多与双开关反激式相同的好处。

实现此钳位需要在变压器的初级侧添加一个钳位绕组。该绕组的匝数必须与初级绕组相同。添加了一个钳位电容器，连接到 FET 的漏极。钳位电容器的另一端通过二极管 D1 钳位到输入电压，并通过二极管 D2 钳位到钳位绕组。

钳位绕组和 D2 将钳位电容器两端的电压限制为等于输入电压的值，这在对初级回路应用基尔霍夫电压定律时很明显，如图 4所示。请注意，无论极性或幅度如何，两个初级绕组电压都会相互抵消。此方法仅在两个绕组上使用相同匝数时才有效。

图 4 钳位电容器电压受输入电压限制。

要了解此钳位的工作原理，请考虑 FET 关闭时会发生什么。当初级 FET 关断时，漏感中的电流流过钳位电容器和正向偏置二极管 D1。当 D1 导通时，漏电感两端的电压等于输入电压和反射输出电压之间的差值。一旦漏感中的电流降至零，D1 就会关闭。传递到钳位电容器的泄漏能量会暂时增加钳位电容器上的电压，使其略高于输入电压。当 D1 关闭时，D2 钳位器通过变压器绕组中的耦合有效地将存储的电荷传输到输出端。

这种钳位电路需要的元件更少，而且比双开关反激式电路更便宜。就像双开关反激式一样，它可以将效率提高几个百分点，并消除与耗散泄漏能量相关的热问题。该钳位电路还将占空比限制为值 50%。代价是该电路需要一个更高电压的 FET，它的额定值必须是输入电压的两倍以上。与双开关反激式相比，FET 漏极上的更高电压也可能对电磁干扰提出更多挑战。

有源钳位反激式是反激式的另一种形式，它回收泄漏能量，同时可以提供零电压开关。有源钳位反激式更复杂，需要专门的控制器，例如 UCC28780，使其值得拥有自己的电源提示，所以我将把讨论留到以后再说。下次您设计高功率反激式时，请考虑使用非耗散钳位来提高效率并保持电源冷却。