主動箝位技術襄助 順向式轉換器取得大小訊號回應
主動箝位技術不僅限制功率電晶體漏極在關斷時的電壓偏移，還幫助在某些條件下，實現近似零電壓開關(ZVS)動作。當開關損耗降至最低時，就變得更易於增加開關頻率並且減小磁性元件尺寸。本文將介紹主動箝位順向式轉換器之動作，並獲得其大訊號和小訊號回應。
主動箝位順向式轉換器架構介紹
圖1所示的是簡化的主動箝位式順向轉換器。次級側沒有變化，仍然是降壓型拓撲結構。變化的是初級側，變壓器不再有三次繞組。電路圖中出現另一個受控開關Q2，它連接漏極節點至額外電容Cclp。在此表徵電路圖中，Cclp透過N溝道電晶體Q2(圖中特意繪出它的本體二極體)連接至直流輸入線路。此電晶體要求特殊的高邊驅動器，因為它的源極浮動。此驅動器可以是專用積體電路的形式，但也可使用高壓脈波變壓器。
 |
| 圖1 箝位電容連接至輸入直流軌，限制關斷時的漏極電壓偏移。 |
如果說N型通道電晶體通常應用於高壓交流對直流(AC-DC)主動式箝位轉換器(高達400伏特直流軌)，大多數直流對直流(DC-DC)電訊磚式轉換器(輸入電壓較低，為36?72V)採用的則是P通道電晶體。箝位電容此時對地參考，能夠使用P通道電晶體；而P通道電晶體的對地參考驅動電壓比本系列第一篇文章論及的方案更易於詳盡說明。直覺地，如果漏極應力在配置上類似，P通道金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)的Cclp額定電壓，大於N溝道MOSFET的Cclp額定電壓。
主動箝位順向式轉換器運作說明
現在來簡要闡釋一下主動箝位順向式轉換器怎樣工作。對於那些對此轉換器錯綜複雜之處感興趣的讀者而言，敬請參照本文末尾列出的參考文檔。所有都從功率開關閉合開始研究。開關導通時的等效電路類似於經典順向式工作。導通期間施加在磁化電感上的電壓取決於Q1兩端的電壓降：
 |
……公式1
此時在MOSFET中迴圈流動的電流由反射電感電流iL(t)及磁化電流imag(t)構成。MOSFET暫態損耗的計算就很簡單：
 |
……公式2
在導通時間的末尾，磁化電流Imag到達以下等式表達的值：
 |
……公式3
其中，初級側斜率Smag可以表達為：
 |
……公式4
次級側電壓由公式1定義的初級側電壓按變壓器圈數比來比例變化而得，並驅動功率電感L：
 |
……公式5
請注意功率開關rDS(on) ron1產生的暫態損耗成分。這是主動箝位架構的要點：在分析期間，必須將初級側迴圈流動的磁化電流考慮在內，否則，此功率段的交流回應，仍然保持跟經典順向式架構相同。
在開關斷開時，磁化電流維持單獨迴圈流動，因為我們假定次級側二極體瞬間阻斷，反射電流NiL(t)消失。此時磁化電流透過漏極節點提供的集總電容Clamp找到一條路徑，此電容實際上由不同寄生元件構成，如變壓器電容及MOSFET雜散元件，即Coss及Crss。漏極電壓快速增加，速率取決於於Clamp及Imag,peak。
當漏極位準超過Vin時，次級側二極體D1開始阻斷，輸出電感電流iL(t)傳輸至二極體D2。此事件持續一小段時間，其中兩個二極體同時導電：這就是所謂的交疊。這時vDS(t)繼續上升，直至到達箝位電容電壓。Q2本體二極體自行導電，電流現在在閉合電路中迴圈流動。在此事件(第一個停滯時間期間)之後，控制器就立即指示Q2導通。在此事件發生時，VDS幾乎為0(本體二極體導電)，確保了ZVS工作。功率開關漏極端子也箝位至：
 |
……公式6
磁化電感兩端的電壓已經反向，其電流開始以下面的斜率下降：
 |
……公式7
假定的是箝位電容電壓保持恆定。實際上，箝位電容上的電壓小幅上升，當imag(t)=0時到達峰值。在此刻，變壓器磁心重置。既然電流為0，它就開始改變方向，因為Q2仍然閉合。磁化電流向後迴圈流動，但仍處在閉合電路之中。當此電流到達負峰值時，儲存在磁化電感中的能量就是：
 |
……公式8
在此點，控制器指示Q2開路，迫使磁化電流採用另一個迴圈流動路徑。這時電流流過輸入源，並透過Q1寄生電容Clamp返回：此電容這時與磁化電感諧振，並開始放電。漏極電壓從等於Vin+Vclp的箝位電壓下降至輸入電壓Vin。在此刻跟Q2被第二個停滯時間DT2關斷的時刻不同，控制器再次將Q1切換導通，另一個週期開啟。由於漏極-源極電壓已經降低，開關損耗大幅降低。方程式(8)至關重要，因為它對應於當Q2斷開時磁化電感中儲存的可用能量。正是此能量將被用於為Clamp放電。
當漏極位準等於Vin並將進一步下降時，次級側二極體再次開始導電，此時電感電流iL(t)按變壓器圈數比N比例反射至初級側。透過此舉，抑制了磁化電流，並阻礙Clamp放電過程。為確保更強的放電，設計人員須要加深變壓器磁心氣隙，以降低Lmag，並增加磁化電流。然而，在某個點，此電流的迴圈流動會在初級側產生不可接受的損耗。記住，此電流並不參與初級側至次級側的能量傳輸，但由於它已大幅增加以用於主動式箝位目的，故會導致Q1損耗。
有鑑於此，設計人員通常接受滿額功率時漏極-源極電壓下降至Vin，而當(輕載甚至是空載條件下)輸出直流電流降低時，就可以獲得幾乎完成的ZVS。
圖2及圖3示範典型的模擬工作波形。在功率開關斷開時，漏極-源極電壓透過自發導電的Q2本體二極體到達箝位電壓。數十奈秒(ns)後Q2導通，確保ZVS工作(DT1期間)。漏極電壓極佳地箝位至幾乎恆定的電平Vclamp。此位準諧振，當磁化電流為0時到達最大值。然後磁化電流沿負值增大，到達另一個峰值負值。在此刻，控制器指示主動箝位開關Q2斷開，磁化電流對集總電容放電。在DT2之後，功率開關Q1重新激活，涉及Clamp的開關損耗大幅降低。
 |
| 圖2 在主開關再次導通之前插入延遲時間以使Clamp放電。 |
 |
| 圖3 插入及調節了停滯時間，以確保上邊開關Q2的ZVS工作，以及提供足夠時間來讓Clamp再重新啟動Q1之前放電。 |
在此主動箝位轉換器中，磁化電流的分布以0為中心，表示平均值為0。在磁心方面，轉換器此時使變壓器在兩個象限I和II中工作，而經典順向式結構僅採用象限I工作。此原理如圖4所示，其中設計人員可以看到磁通密度在負值(關斷時間末尾)與正值(導通時間末尾)之間移動。這就改善磁心利用，如果有需要的話，設計人員可以採用比經典順向式轉換器更大的磁通密度擺幅來設計。
 |
| 圖4 變壓器此時在兩個象限中工作，不同於經典順向式轉換器。 |
主動箝位轉換器的結構複雜，本文僅是快速介紹它的工作原理。
借力主動箝位式轉換器 大訊號建模非難事
借力主動箝位式轉換器 大訊號建模非難事
大訊號建模涉及到寫出所謂的大訊號方程式：注意是「非線性」，然後將它們圍繞某個工作點線性化。為在主動箝位式轉換器運用此技巧，設計人員可以將此架構分解為兩個獨立轉換器：
涉及磁化電感、箝位電容及上邊串列開關Q2。
涉及連接至Vin的初級側電壓、Q1電壓降，還結合D1陽極上按比例縮小的電壓，然後被電感電容(LC)濾波器濾波，最後到達負載。
可以單獨處理這兩個轉換器，這樣可以簡化分析。正如圖5所示，左側顯示的是磁化電流產生器，構建工作週期D相關的磁化電流。右側是傳統隔離式降壓轉換器表示圖，其中變壓器由電流源I2及電壓源V2建模。
 |
| 圖5 主動箝位轉換器可以建模為磁化電流產生器及經典降壓型拓撲結構。 |
小訊號或大訊號建模涉及到的是波形平均，將不連續時域訊號描述為連續時域的方程式。如果設計人員採用磁化電流產生器I1，將會獲得什?首先，僅在關斷時間期間，電流在箝位電容中迴圈流動，而在導通時間期間，此電容的電流為0(圖6)。設計人員可以立即寫出兩個方程式，根據它們可以立刻得出平均值：
 |
| 圖6 在關斷時間期間漏極電壓增加至箝位電壓峰值，而磁化電流在箝位電容中迴圈流動。 |
 |
……公式9
其中Imag是平均磁化電流。
對於漏極電壓源V1而言，功率開關兩端的電壓降就發展為導通時間期間公式2描述的MOSFET暫態損耗。然後在關斷時間期間，它就跳躍至箝位電壓。再次表述兩個事件期間的漏極位準，並推導出平均值：
 |
……公式10
在此表達式中，Vclamp是Q2導通時的漏極節點電壓。它由輸入電壓加箝位電容電壓構成，最後，Q2 rDS(on), ron2電壓降為：
 |
……公式11
請注意，上面表達式中的IL是流過電感L的電流，是Iout的平均(直流)值。
降壓段要求圍繞電流源I2和電壓源V2來對變壓器建模。變壓器初級側中的電流ip(t)只不過是按變壓器圈數比N比例調變的電流。在DTsw期間主開關導通時存在此電流。因此，設計人員就得到：
 |
……公式12
次級側產生器V2實際上按變壓器圈數比來轉換初級側電壓。記住，初級側電壓涉及到Q1導通時它兩端的損耗，可參照公式5的定義。
 |
……公式13
一旦所有這些電壓源都與電路圖捕獲關聯起來，即可得到圖7的大訊號模型。
 |
| 圖7 大訊號模型涉及磁化電流產生器及隔離降壓轉換器。 |
壓控電壓源E1提供直流工作點，使轉換器為100m負載提供3.3伏特電壓。此模型可以用於交流及暫態分析。使用SPICE的好處是如果使用非線性模型來運行交流分析，SPICE會首先將它圍繞直流工作點線性化，然後對其重新交流掃描，提供快速截取的波德圖，換言之，設計人員毋須再進行小訊號分析。這就是我們所尋找的結構，即採用電壓模式工作的主動箝位轉換器的小訊號回應。它如圖8所示，顯示由磁化電流諧振導致的凹口(Notch)。
 |
| 圖8 大訊號模型極佳地預測了凹口的存在。 |
我們將在此系列文章的下一篇看到怎樣推導，採用電壓模式工作的主動箝位轉換器的完整控制至輸出傳遞函數。
大訊號主動箝位轉換器要求一些電流及電壓產生器，它們一旦適當組合，就可以產生模擬電路圖。根據此非線性模型，有可能從交流模擬快速獲得波德圖。此系列文章的下一篇將展示在實驗室量測結果的輔助下，怎樣推導完整傳遞函數。
 |
