有源鉗位反激(ACF)變換器控制方案(4)

如前幾期內容所述，ACF要實現高效率就必須滿足功率管ZVS的需求。要實現ZVS就需要采用合適的控制方案。前幾期中的控制策略在實現ZVS方面基本都是直接或間接的調節鉗位管的導通時間，增大谷值電流，從而實現主功率管ZVS。這期內容中所采用的動態諧振周期控制（dynamic resonant periodcontrol, DRPC）策略也是通過調節鉗位管的導通時間而調節谷值電流實現的，但是不同的是，該控制策略讓ACF工作在非互補模式，從而降低鉗位管的導通損耗，實現效率的更優化。該控制方法由臺灣交通大學提出，所采用控制框圖如圖1所示，具體的控制模式簡述如下。

圖1 DRPC控制框圖

1. 重載下的DPRC模式

該模式下，ACF的柵驅動信號非互補導通輸出，見圖2所示。其中Tm為主功率管ML工作波形，Taux為鉗位管MH工作波形。Taux只在Tm為0的第③區域為高電平，這樣的好處在于可以盡可能的降低諧振電流的有效值，從而產生較小的鉗位管導通損耗。通過調節Taux的時間長度，可以調節谷值電流的大小。只要Taux的時間調節足夠精確，就可以使ACF在全輸入電壓范圍下都能夠恰好實現ZVS。這樣，通過這種控制方式，即降低了死區損耗的大小，也降低了鉗位管損耗的大小，從而可以進一步優化效率。

圖2 DRPC下ACF工作波形

2. 中載下的QR模式

當負載下降到一定范圍時，ACF將工作在傳統反激的準諧振QR工作模式，波形見圖3。在該模式下，Tm的時間長度基本不變，通過調節Tm的開通位置實現谷值導通。這樣，系統工作在輕微變頻狀態，從而使輸出電壓能夠在不同負載保持穩定。

圖3 QR下的ACF工作波形

3. 輕載下的FF模式

當負載進一步下降時，系統工作在頻率折疊（frequency-foldback，FF）模式。該模式和QR剛好相反，谷底導通的位置保持不變，都在第六個谷底時開通主功率管，但Tm的導通時間不斷減小，用于實現不同負載下的調節。該模式下的頻率變化比QR變化劇烈。

圖4 FF下的ACF工作波形

4. 待機下的綠色模式

當負載非常小時，ACF工作在綠色模式。該模式下，Tm的導通時間保持不變，開關頻率保持不變。

圖5 綠色模式下的ACF工作波形

通過這四個工作模式，ACF既實現在不同負載下的穩壓調節目標，也實現ZVS的調節功能，實現較高的效率工作。開關頻率的變化曲線如圖6所示。

圖6 該控制方式下的頻率變化曲線

該控制方式的優缺點簡單分析如下：

1） ACF真正實現ZVS的負載范圍較窄，只能在DRPC模式下實現。雖然可以提高重載下ACF的峰值效率，但ACF的平均效率預估較低；

2） DRPC模式下實現ACF的能量主要依靠漏感中的能量，需要漏感大于一定的值，ZVS才可以在全輸入范圍內輕松實現；

3） DRPC模式下副邊電流出現“雙包”波形，不利于同步整流控制；

4） DRPC模式下鉗位管并不是嚴格的ZVS開啟，可能會增大鉗位管開關損耗；

5） DRPC模式下鉗位管具有較長的續流時間，不適合采用GaN半導體功率器件；

6） QR模式和FF模式下的谷底導通位置對控制要求較高，也需要考慮實際電路參數的漂移影響；

7）頻率變化范圍較寬，不利于磁性元件設計。