高峰值功率准谐振反激电源转换器的连续导电模式

提供更高峰值功率的新方案

我们想定义一种新的电源转换方案，此方案提供更高峰值功率能力，不含尺寸过大的元器件，同时保持准谐振工作反激转换器的优势。

a) 在额定/平均功率条件下保持准谐振的低EMI及更低开关损耗的优势

b) 在大功率条件下使用连续导电模式(CCM)，避免频率降低及变压器尺寸较大/过大

c) 保持准谐振输出短路特性和极佳的固有安全性

带连续导电模式的更高峰值功率准谐振反激转换器

NPC1380的零电流检测(ZCD)电路的工作原理如图6所示：在辅助绕组电压施加于ZCD输入的条件下，此控制器能够控制能量传输的终结。增添的二极管D203和电阻R206用于MOSFET导通期间NCP1379的过功率补偿(OPP)功能。


图6：连续导电模式准谐振反激转换器的原理

应当修改此电路，从而在出现高峰值功率需求的情况下支持CCM工作。为了避免在规定的功率等级变压器完全退磁(例如传输时间长于给定值)，电路中增加了额外晶体管，如图6中的Q206所示。此晶体管的存在迫使ZCD在还没有出现变压器完全退磁的情况下重启控制器。得益于极佳的固有准谐振安全性，我们也应该使用ZCD来在平均功率、起始相位及输出对地短路等条件下保持完全退磁控制，避免应力过大及多个元器件的尺寸过大。此举是通过控制辅助绕组反射电压来实现的，极佳地映射了次级输出电压。

支持CCM高功率工作所增添电路的细节

原理：抑制准谐振零电压检测，在功率高于给定限制值条件下支持CCM工作


图7：连续导电模式准谐振反激转换器的详细方案

* C231由与供电电压成正比的负电压在初级开关导电期间充电

* R235和R254及C231组合设定延迟时间T，晶体管Q206是将电路导通(基于简单定时器)的开关

* 在规定的时间T内，Q206切换为导通状态，并将ZCD引脚1拉至地电平(从而以存储在变压器中的能量重启下一个周期)。串联电容确保IC输入端的低电压电平，即使是在Q206的饱和电压Vce-sat条件下。

* 由于Q206由直接连接至绕组的电阻R234充电，在次级二极管导电期间，CCM连接至次级端反射电压：如果反射电压/次级端输出电压过低(如在启动相位或是输出对地短路)，CCM就不能被激活。

修改前述70W输出设计、带前端PFC的CCM准谐振反激转换器的峰值功率及示波器截图

绿色迹线：MOSFET电流 ID(t)， 0.5A/div，

黄色迹线：MOSFET电压 VDS(t)， 100V/div，

时间 = 5μs/div


图8：限制至CCM的中等功率准谐振反激转换器

测试条件：电源电压395Vdc，输出功率POut = 50W

最大电流1.85A@55kHz，以经典准谐振模式在第1个谷底开关。此特性与以谷底开关用于较小功率之前述测试相同。

最大电压(V Max) = 650V


图 9：采用CCM的大功率准谐振反激转换器

测试条件：电源电压395Vdc，输出功率POut =75W

在CCM及频率增加至80 kHz从而配合传输更多电能且无须较大初级/MOSFET电流条件下的最大电流2A

最大电压(V Max) = 680V


图10：采用CCM的峰值功率准谐振反激转换器

测试条件：电源电压395Vdc，输出功率POut = 110W

在CCM及将频率降低至77kHz从而配合传输更多电能(更长导通时间)条件下最大电流为2.7A。此电流低于变压器的3A饱和电流。

此条件应当与39kHz条件下(原准谐振模式下仅70W功率)2.8A电流比较。

最大电压(V Max) = 760V(低于MOSFET的800V最大漏极-源极电压)

这种新方案支持增加约50%的功率能力，且无须增加总体组件尺寸及成本(主要是变压器)，保持所有准谐振额定负载及安全特性优势。

无前端PFC的CCM准谐振反激转换器

在低交流主电源电压条件下功率能力被降低。即使CCM定时器的关闭时间控制较短(在交流主电源输入电压较低的条件下，与供电电压成正比的反射负电压也较小)，在较低交流主电源条件下较长的导通时间(旨在获得相同的MOSFET漏极电流)对开关频率的影响较小，降低了功率能力。

这种新方案也能够在无前端PFC的条件下使用，从而增加功率低于75W限制值、不含PFC的应用的峰值功率。

新方案的局限

需要顾及此新方案的两个局限。

CCM应用不用于高输出电压应用，因为高输出电压应用要求极短反向恢复时间(trr)的次级端二极管。CCM通常局限用于自然地采用肖特基二极管、电压低于30Vdc的低压应用(对于19V配接器或打印机应用而言尤为如此)。

在配有次级端同步整流的大输出电流应用中难于使用CCM。次级端同步整流MOSFET在新周期开始之前应当切换为关闭状态，从而避免此双向开关短路。变压器初级端的极高电流将激活初级过流限制功能，并使电源停止工作。

结论

此新方案使用带高峰值功率能力的准谐振反激转换器，与标准准谐振转换器相比，将功率能力提高了约50%。针对更高峰值功率的CCM设计可避免变压器、MOSFET及次级端二极管尺寸过大。而如今针对平均功率优化的设计可以更为紧凑，且提升了低功率/待机模式性能，因为增加了变压器电感，同时保持了针对额定功率准谐振方案的所有优势。

针对功率低于75W(不含PFC)的应用所增加的峰值功率能力，支持减小如今计算机、游戏机及打印机中使用的准谐振反激配接器的尺寸及成本。已经利用安森美半导体NCP1379/1380展示的此方案易于采用极小数量的低成本元器件设计。NCP1379/1380也提供谷底锁定功能，用于提升低功率性能。

应用于准谐振反激电源转换器的连续导电模式(CCM)结合了PWM(CCM模式下更高峰值功率能力)和QR(输出对地短路条件下更低EMI、更低开关损耗及固有的安全特性)的优势，正在迅速成为未来产品的首选反激方案，提供极佳且固有的安全特性(更低开关频率，输出对地短路)。


图11：基于NCP1379的CCM准谐振转换器GreenPoint(r)参考设计详细及完整初级电路