使用有源缓冲器提高相移全桥效率
图 1所示的相移全桥 (PSFB)在 >500 W 的应用中很受欢迎，因为它可以在其输入开关上实现软开关，从而实现高转换器效率。尽管开关损耗大大降低，但您仍然可以看到输出整流器上存在高压应力，因为其寄生电容与变压器漏感（在图 1 中建模为 L r）产生谐振。输出整流器的电压应力可以为高达 2V IN N S /N P，其中 N P和 N S分别是变压器初级和次级绕组。
传统上，限制输出整流器上的电压应力需要使用无源缓冲器 [1]，例如电阻电容二极管 (RCD) 缓冲器，但使用无源缓冲器会消耗功率，从而导致效率损失。
图 1具有无源钳位和波形的 PSFB 功率级，使用无源钳位会消耗功率，从而导致效率损失。资料德州仪器
或者，您可以应用有源缓冲器来钳位整流器电压应力，而不消耗缓冲器电路中的任何功率（假设是理想开关）[2]。图 2显示了在输出电感器之前插入由电容器 (C CL ) 和 MOSFET (Q CL ) 形成的有源钳位臂 (ACL)。当输出绕组电压变为非零时，能量将从初级绕组转移到次级绕组，为输出电感器供电，同时也通过 Q CL 体二极管传导电流，为 C CL充电，即使 Q CL未导通。您可以打开 Q CL在其体二极管已经传导电流以确保 Q CL上的零电压开关（ZVS）之后。
图 2具有有源钳位和波形的 PSFB 功率级，与无源缓冲器不同，有源缓冲器不会耗散功率电阻器上的振铃能量，而是将能量作为无损缓冲器在 LC 谐振回路中循环。资料德州仪器
在有源钳位 MOSFET (i CL ) 极性发生变化之前打开 Q CL非常重要，这样可以在有效占空比 (D eff T S ) 开始时完成 C CL上的电流秒平衡。换句话说，Q CL只需开启足够长的时间，即可使有源缓冲器的电流秒平衡按预期工作，将输出整流器电压钳位至 C CL电压 (V CL )。换句话说，Q CL不需要在整个 D eff T S中传导，而是在相对较短的时间内传导。因此，Q CL可以具有固定的导通时间，即 Q CL导通时间 ( DACL T S ) 恒定，同时保持 D eff T S始终大于当前秒平衡 (D CSB T S ) 完成的持续时间。
这种方法解决了使用有源缓冲器时的挑战之一，因为变压器绕组电流不会单调上升——如果您使用峰值电流模式控制，这就是一个问题。发生这种情况是因为有源缓冲器电容器的能量也参与为输出电感器供电，而不是仅仅依赖于初级侧的能量传输。由于D eff T S大于D CSB T S，因此当变压器电流单调上升时会发生峰值电流检测。由于您可以期望具有较大 D eff的 PSFB 具有更高的效率，因此您可以将 PSFB 设计为在中负载至重负载时具有较大的 D eff ，其中 D eff>> D CSB。在轻负载时，转换器应工作在不连续导通模式下，其中在相同输入/输出电压条件下， D eff将小于连续导通模式下的 D eff 。为了即使在轻负载时也能保持 D eff T S大于 D CSB T S，可以使用降频控制或突发模式控制。
由于 C CL纹波电压影响输出整流器上的总电压应力，因此必须选择足够大的 C CL以获得较低的电容器纹波电压。您还必须选择 C CL，使得 L r和 C CL形成的电感电容 (LC) 谐振周期远长于开关周期 [3]
通过有源缓冲器，整流器电压应力将钳位到 V IN N S /N P左右，这是没有任何钳位电路时电压应力的一半。与[1]中的无源缓冲器不同，有源缓冲器不会耗散功率电阻器上的振铃能量，而是将能量作为无损缓冲器在LC谐振回路中循环。因此，在相同规格下，具有有源缓冲器的 PSFB 的转换器效率将高于具有无源缓冲器的 PSFB。
要了解决定 ACL 电流水平的因素，您需要计算流经 ACL 本身的电流。图 3显示了 ACL 导通周期周围的波形。
图 3 ACL 电流导通期间的波形。资料德州仪器
假设 V CL为常数且 L m = ∞，则当漏极至源极电压上升时，公式 2得出输出整流器一侧的电流 (i SR2 )：
假设 i SR2电流以恒定速率减小，公式 3得出 t 2 -t 1的持续时间为：
由于C CL需要保持电流-秒平衡，因此面积A1和A3之和将等于面积A2。利用所有这些信息，可以计算 i CL的均方根 (RMS) 值。如公式 3 所示，同步整流器 (SR) 输出电容 (C oss ) 控制 ACL 上的峰值电流。如果您选择较低 C oss SR FET，ACL RMS 电流将会较低，从而有助于提高转换器效率。
图 4显示了德州仪器 (TI) 具有有源钳位参考设计的 54V、3kW 相移全桥参考设计的波形，该设计是一个使用有源钳位的 400V 输入、54V 输出、3kW PSFB 转换器。使用 TI 的 C2000? 微控制器实现钳位。在本设计中，变压器匝数比为 Np:Ns = 16:3。由于 ACL FET 在输出电感器通电期间仅导通 300 ns，因此即使在 3 kW 负载下，输出整流器电压应力（图 4 中的 Ch1）也被限制为 80 V。较低的电压应力使得能够使用具有较低额定电压和更好品质因数的 SR FET，从而进一步提高 PSFB 的效率。
图 4具有有源钳位的 54V、3kW 相移全桥参考设计稳态波形。资料德州仪器
这种控制方法不限于具有一个ACL的全桥整流器；您还可以将其应用于具有其他类型整流器的有源缓冲器，例如倍流器 [4] 或中心抽头整流器。TI具有有源钳位功能的 3kW 相移全桥参考设计具有 >270W/in 3功率密度，具有 400V 输入、12V 输出、3kW PSFB 转换器，具有次级侧使用的有源钳位中心抽头整流器。输出整流器应力（图 5中的 Ch1 ）在 3 kW 负载下限制为 40 V。
图 5采用有源钳位的 3kW 相移全桥参考设计，具有 >270W/in 3功率密度稳态波形。资料德州仪器
PSFB 转换器中有源钳位的优点
在 PSFB 转换器中实施有源缓冲器可显着降低输出整流器上的电压应力。电压应力的降低使得能够使用具有较低漏源电压额定值的 SR FET，从而具有更好的品质因数。虽然有源钳位可能会给峰值电流模式控制的实施带来挑战，但正确的实施可以使有源钳位和峰值电流模式控制协调使用。与传统 PSFB 实现相比，这种组合实现了更高的功率密度和更高的效率。
