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有源钳位反激(ACF)变换器控制策略Case 1——UCC28780:基于PCM+自适应钳位...

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xsyjoy
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  • 2021-8-14 09:09:49
相比于传统RCD钳位反激和准谐振反激变换器,有源钳位反激最大的优势在于原边功率管的ZVS可以实现。通过增加一个钳位功率管和钳位电容,变压器漏感中的能量可以通过谐振过程被钳位电容吸收。当ACF工作于CCM模式,实现主功率管ZVS的能量与漏感有关。因此,被谐振电容吸收的能量可以用于实现主功率管的ZVS,或者传输到副边。然而,当开关频率提高时,漏感往往较小,此部分能量可能不能满足全输入和负载范围内ZVS的实现。当ACF工作于过渡模式或CrCM模式时,实现主功率ZVS的能量与励磁电感有关。由于励磁电感远大于漏感,所以主功率管更容易实现ZVS。因此,CrCM模式下的ACF更适宜于应用在高频环境中。但是,要满足全输入和全负载范围内的高效工作,实现ZVS的能量和时间需要被调节以实现最优的ZVS调节。在这种情况下,ACF就需要同时实现输出电压稳定和ZVS调节的多目标控制策略。

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图1 几种反激拓扑对比

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图2 CCM和CrCM ACF工作波形对比

接下来,将会介绍几种ACF变换器的控制策略,并将对这些控制策略进行理论分析,作为ACF变换器设计和研究的些许参考。

首先介绍的是出自于TI的应用于ACF的专用控制器UCC28780中的控制策略,采用多模式控制实现负载调节,采用PCM控制实现输出稳压,采用自适应钳位时间实现ZVS调节。该控制器可以实现自适应的partial和full ZVS 控制效果,可以达到1 MHz的开关频率,既可以用于Si器件系统,也可用于GaN作为功率管的ACF系统。

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图3 UCC28780控制框图

该控制器将全负载范围分为四个区间,在不同的区间实现不同的控制模式。这四个工作模式分别是自适应幅值调节(AAM),自适应跳周期模式(ABM),低功耗模式(LPM)和待机功耗模式(SBP)。通过检测电流峰值控制信号Vcs的大小,判断负载状态,并调节ACF在不同模式下工作。

在AAM中,通过PCM调节主功率管的导通时间,实现输出电压稳定;通过检测桥臂中点电压,判断当前周期ZVS的实现情况,如果未实现,则在下个周期增大钳位管的导通时间,如果实现,则在下个周期减小钳位管的导通时间,从而实现自适应的ZVS调节。在这种情况下,ACF工作于变频模式。在该模式下,不同负载下的电流峰值会发生变化,但谷值电流基本维持不变。然而,谷值电流随着输入电压的不同而有所不同。主功率管的导通时间设置在电感电流为0的点,以实现尽可能大的效率工作,这样也保证了自适应死区调节的实现。

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图4 AAM

ABM具有和ON-OFF控制相同的控制逻辑,在Burst大的开关周期内实现功率管正常工作和关闭工作两种状态,在功率管开关周期内具有和AAM完全相同的控制方式。Burst大周期内功率管的开关次数Nsw与负载大小有关,可以用下式表示。输出电压纹波和可闻噪声的问题在该控制模式下也有被考虑到。此外,更细节的是,不仅第一个开关周期内主功率管在电感电流为0时开启,而且最后一个开关周期内钳位管在电感电流为0时关断,以尽可能保持最优的效率,也避免产生过大的电压噪声。

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图5 ABM

当Nsw随着负载下降到2时,进入LPM。在该模式下,只有主功率管开启,钳位管关闭,ACF相当于工作在传统临界反激模式。在该模式下同样通过ON-OFF控制主功率管的正常工作, ON-OFF的周期被固定在25kHz。LPM通过调节主功率的导通时间调节负载大小。
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图 6 LPM

当主功率管的导通时间下降的最小的导通时间ton(min)时,该芯片进入SBP模式。该模式下,主功率管导通时间、开关频率、ON-OFF周期全部固定。

通过这四个工作模式,ACF可以实现自适应的负载、输出电压、ZVS调节。该控制策略下ACF的频率及Nsw变化曲线如下图所示。

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图7 频率及Nsw变化曲线

四个模式下的功能以及PWMH、ZVS的状态可见下表。

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基于此控制芯片,TI设计了多款不同参数的ACF变换器样机。其中,最高的开关频率设置在300kHz,最高的效率可以达到94.7%,最高的功率密度可以达到30W/in3,市面上也有多款采用此控制器的ACF产品上市,并取得了不错的效果。有关该控制方案的优缺点分析将和其他的控制方案一起总结整理后给出。

xsyjoy
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