反激式转换器因其简单性和低BOM成本而受到青睐。有源箝位反激式拓扑结构显著提高了转换效率，并实现了更大的功率密度，当与GaN卓越的开关性能相结合时，功率密度可以进一步提高
作者：Silanna Semiconductor AC/DC产品营销总监Ahsan Zaman
在USB适配器和电池充电器等中低功率应用中，通常选择反激拓扑进行AC/DC转换。在其固有优势中，基于变压器的设计提供了电流隔离，并有助于宽输入电压范围。此外，拓扑结构的简单性及其相关的低BOM成本使电源结构紧凑、重量轻、价格有竞争力。
基本反激式转换器通常工作在具有硬开关的不连续导通模式（DCM）中，这会导致高损耗并产生电磁干扰（EMI）。这阻碍了使用更高的操作开关频率来减小磁性元件的尺寸并增加功率密度。
一种解决方案是采用准谐振（QR）反激拓扑，该拓扑与谷值开关一起工作，从而降低损耗和EMI。这使得反激式转换器保持了其简单性，而使用硅MOSFET的效率可以高达90-91%。然而，尽管损耗明显低于硬开关拓扑，但由于谷值开关发生在非零电压下，因此会产生开关损耗。此外，损耗随着频率的增加而增加，因此QR转换器通常在100kHz以下工作。
需要一种更好的解决方案来满足进一步提高效率，同时增加功率密度的持续需求。推动这些需求的是USB电源传输（USB-PD）等规范的发展，它首先将通过USB Type-C电缆传输的功率提高到100W，后来进一步将限制提高到240W。为了服务于这些适配器的市场，更大的功率密度是一个长期的追求。小尺寸对买家来说很重要，他们通常希望携带方便，以便在旅途中为设备充电，并会寻找一个方便的适配器，放在口袋、包或旅行包中。此外，更小的适配器有助于最大限度地减少充电站或办公桌设置中的杂物，并与纤薄简约的配件设计的整体趋势保持一致，以补充用户小工具的美观性。
为了解决这一问题，有源箝位反激式（ACF）转换器进一步降低了开关损耗，并允许使用更高的频率，因此可以使用更小的磁性组件来获得更大的功率密度，而不会影响效率或EMI。
 
保护箝位原理
传统的反激式转换器需要一个电阻电容二极管（RCD）箝位（图1），以提供一条路径来耗散存储在变压器泄漏电感中的能量。这可以保护转换器的主电源开关在关断事件期间免受与漏极电压尖峰相关的电气过应力的影响。不幸的是，RCD箝位组件中的功率损失会损害整个系统的效率并产生不需要的热量。损耗随着开关频率的增加而增加。


图1：带有保护RCD箝位的传统QR反激式转换器
ACF拓扑结构（图2）与传统的反激式转换器的不同之处在于，它重新使用了存储在变压器泄漏电感中的能量，而这些能量通常会在无源箝位元件中耗散。在开关循环期间向负载提供这种“回收”的能量可以提高转换器的效率。
 

图2：ACF控制器片上集成有源箝位电路，包括箝位MOSFET
有源箝位由箝位开关（MOSFET）和箝位电容器组成，它取代了无源RCD箝位。箝位MOSFET为来自变压器漏电感的能量提供了存储在箝位电容器中的路径，从而保护主反激式转换器开关免受电过应力的影响。与传统无源二极管的正向电压（V_F）相关联的损耗相比，由于箝位MOSFET的导通电阻（R_DS(ON)）而耗散的能量接近于零。此外，MOSFET允许双向箝位电流的能力允许泄漏能量在每个开关周期返回到变压器，从而传递到负载，而不是浪费。
此外，ACF转换器中的准谐振（QR）谷明显低于无源箝位电路所允许的（图3），通常实际实现接近ZVS的操作。因此，有源箝位拓扑几乎是无损的，具有大大降低的EMI，并且随着开关频率的增加而保持高效率。


图3：使用ACF转换器降低漏极电压峰值和接近零电压开关
 
此外，在关断事件期间降低初级开关两端的峰值电压允许变压器的初级和次级绕组之间具有更大的匝数比。这允许次级侧上的同步整流器开关具有较低的额定电压，这给设计者提供了更多的机会来降低整体系统成本和/或指定较低的导通电阻和降低的传导损耗。
与QR转换器的比较表明，ACF拓扑通过回收变压器的泄漏能量并大大降低开关损耗，将功率损耗降低了约20%。图4显示了如何在使用ACF而不是QR反激式的65 W电源适配器的通用输入（90-265 Vac）线路电压上提高效率。


图4：ACF转换器实现的典型效率提高
尽管绝对值的效率提高可能看起来微不足道，但它们实际上代表了系统损耗的显著减少。例如，在230Vac下，将效率从93.37%提高到94.3%，相当于节省了14%以上的损耗。这意味着较低的散热，这实际上允许在不增加外壳温度的情况下减小适配器的尺寸。实验表明，对于65W的电源适配器来说，这种0.91%的效率提高意味着12℃的触摸温度显著提高。
 
ACF和GaN
ACF被广泛认为比QR反激拓扑更有效。最近，宽带隙氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）已经商业化，并且显示出比可比较的硅功率器件产生显著更低的开关损耗。此外，在零反向恢复的情况下，GaN HEMT可以在更高的开关频率下有效地工作，从而允许在追求更大的功率密度的过程中进一步减小磁性元件的尺寸。
将ACF拓扑结构和GaN宽带隙技术结合在一起，为进一步提高USB-PD适配器和类似配件的效率和功率密度奠定了基础。Silanna评估了使用该公司SZ1131 ACF控制器构建的两个参考设计，这使得能够准确评估GaN技术对适用于USB-PD适配器的ACF转换器性能的影响。
SZ1131是一款与技术无关的ACF控制器，可以处理最先进的硅超结MOSFET或GaN器件，只需最少的电路修改，有助于实现两种方法的准确比较。
每个参考设计描述了一个65 W离线电源，其通用输入和可编程输出电压分别为5 V/3 A、9 V/3 A，15 V/3 A和20 V/3.25 A。控制器可实现Silanna的OptiMode™逐周期自适应数字控制，并支持高达140 kHz的工作频率。
基于硅的示例使用650V超级结MOSFET，其具有15A额定漏极电流、220mΩR_DS(ON)和24.7nC典型的总栅极电荷（Q_g）。另一方面，GaN设计采用Transphorm TP65H300G4LSG 650 V 240 mΩ SuperGaN FET，其Qg仅为9.6nC。因此，与超结MOSFET相比，GaN器件具有优越的R_DS(ON)×Q_g)品质因数（FoM）。
图5和图6比较了从10%负载到满负载的超级结和超级GaN设计的效率。基于GaN的转换器在满载时达到94.53%的最大效率，输出为20V。相比之下，在相同的输出条件下，全硅设计的这一比例为93.79%。GaN转换器的效率在整个负载范围和所有输出电压下都是优越的。


图5：超结MOSFET的ACF效率


图6：GaN器件的ACF效率
 
通过在ACF转换器中从GaN变为硅所实现的改进类似于通过从QR拓扑到ACF拓扑所实现的改善。此外，GaN技术允许通过使用更小磁性组件的更高开关频率来进一步提高功率密度。
 
结论
ACF是当今高效的反激式转换器拓扑，实现了接近零电压的开关，同时还回收了泄漏能量，否则泄漏能量将在无源箝位电路中耗散，以保护转换器的主电源开关。通过这种方式，有源箝位节省了约20%的开关能量，这提高了效率并显著降低了电源适配器外壳的温度。
通过在最新的ACF设计中采用宽带隙技术，将ACF电路固有的更高效率与GaN功率半导体的优越FoM相结合，可以进一步显著提高效率。此外，ACF拓扑结构固有的较低EMI和GaN器件在较高开关频率下工作的潜力提供了进一步的机会，以在不增加损耗或EMI的情况下减小磁性元件的尺寸并增加功率密度。
 
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