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ACF与AHB反激变换器优缺点的简单对比分析

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xsyjoy
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  • 2021-7-28 19:09:17

反激变换器是小功率电源所广泛采用的拓扑解决方案,尤其在电源适配器应用中更为常见。然而,随着对电源体积和效率要求的提高,传统的反激变换器逐渐不能满足应用需求。有源钳位反激(ACF)和非对称半桥(AHB)是反激变换器应用于高频小体积适配器领域的可替代方案,本文对ACF和AHB变换器的优缺点进行简单讨论。

有源钳位反激(ACF)变换器是传统反激的一种衍生拓扑。通过增加一个钳位功率管和一个钳位电容,变压器漏感中的能量能被钳位电容吸收。此部分能量可以用于实现原边主功率管的ZVS,尤其当ACF工作与CrCM或过渡模式时。因此,相对于反激变换器,ACF变换器可以实现更高的效率和更高的开关频率。由于漏感中的能量被吸收,在主功率管开启过程中不存在漏感尖峰,功率管的电压应力更小,输入电压范围更宽,EMI噪声更小。此外,第三代GaN半导体功率器件的广泛应用,也促使ACF变换器可以向更小体积更高功率密度的方向发展。目前,已有多家公司设计并上市出以ACF为拓扑方案的小体积GaN快充适配器。

001.jpg

非对称半桥(AHB)变换器是一种类似于ACF的DC-DC变换器,其属于LLC谐振变换器的一种特殊工作模式。AHB和ACF具有完全相同的电路元件,工作模式和工作波形。两者的在拓扑上的区别在于谐振电容或钳位电容的位置稍有不同。由于工作模式基本一致,AHB和ACF具有类似的控制方式,两者都需要通过调节主功率管的导通时间稳定输出电压,通过调节另一个功率管的导通时间以控制主功率管ZVS的实现。因此,ACF和AHB变换器都需要工作在变频模式。然而,由于拓扑结构的不同,导致两者在控制和工作性能上有所差异,简单的对比分析如下:

002.jpg

1)AHB比ACF具有更小的电压应力

ACF是传统反激的一种改进拓扑,因此其电压应力和拓扑增益与反激完全一样。在工作过程中,ACF原边功率管的电压应力为(Vin+n*Vo),副边功率管的电压应力为(Vin/n+Vo)。而AHB原边功率管的电压应力为Vin,副边功率管的电压应力Vin/n。因此,AHB的电压应力要比ACF的小。低电压应力不仅有利于功率管的安全工作,也有利于选择体积更小、成本更低的功率管。
2)ACF比AHB具有更宽的输入电压调节能力
和反激变换器一样,ACF的电压增益为D/(1-D),而AHB变换器的电压增益和Buck变换器一样都为D。在适配器的应用场合中,为了满足国内国际标准,输入电压的范围一般为90~264Vac,或130~380Vdc。如此宽的输入电压范围将使得AHB变换器的占空比D同样很宽,这不利于谐振过程的完美实现。下表给出了ACF和AHB在不同变压器匝比下的最大最小占空比对比。其中,功率管电压应力设定为650V,输出电压为20V。
003.jpg
从表中可以看出,无论变压器匝比取表中的任何一个,ACF的占空比维持在0.6以下。然而,AHB的匝比取4时,最大的占空比已超过0.6。当匝比为8时,最大占空比竟然超过1。在AHB和ACF的工作过程中,传递能量阶段导通的功率管需要有足够多的时间去维持谐振过程的完全实现,这样一方面保证主功率管ZVS的实现,一方面有利于系统效率的最大化。而当占空比太大时,在相同的开关频率下,AHB的谐振时间将远小于ACF变换器。如果要保证足够的谐振时间,AHB的开关频率将比ACF更小。导致AHB占空比最大取值是在输入电压最低时。如果能提高AHB的最小输入电压,此问题将有所改善。基于此,将AHB只用于国内220Vac输入的应用场合应该比较合适。
3)ACF比AHB具有更高的开关频率
在开关频率方面,上述的占空比问题是导致同参数下AHB开关频率更小的一个原因。除此之外,较低的变压器原边电压也是一个影响因素。在ACF变换器中主功率管导通阶段,变压器原边的电压为(Vin*Lm/(Lr+Lm))。由于Lr远小于Lm,此数值基本等于Vin。而在AHB变换器中,变压器原边电压为Vin/2。两者变压器原边电压的差别,必然导致电感电流斜率的不同。因此,在相同的电路参数下,ACF具有比AHB更大的电感电流斜率。于是,为了维持相同的功率输出,AHB需要有更小的开关频率。
4)ACF具有比AHB更高的效率
同样的,除了上述的占空比问题会通过影响谐振过程时间而影响到工作效率外,变压器的匝比也是很重要的影响因素。为了降低原边损耗,ACF变压器匝比可以选择6或者8,而AHB的匝比只能选择4或者更小。在相同输出功率下,AHB较大的原边电流导致的损耗必然大于ACF变换器。
综上所述,除了电压应力较高之外,在相同的输入输出参数下,ACF要比AHB变换器具有更宽的输入电源范围、更大的开关频率和更高的工作效率。此外,目前市场上所应用的高压功率管的电压应力大都在650V档位。在这种情况下,AHB的电压应力优势就会更加受限。基于此,作者认为采用ACF变换器作为小功率适配器的拓扑解决方案可以获得比AHB变换器更好的系统性能。

参考文献:
[1] L. Xue and J. Zhang, "Highly EfficientSecondary-Resonant Active Clamp Flyback Converter," in IEEE Transactionson Industrial Electronics, vol. 65, no. 2, pp. 1235-1243, Feb. 2018.
[2] C. -C. Kuo et al., "A Dynamic Resonant Period Control Technique forFast and Zero Voltage Switching in GaN-Based Active Clamp Flyback Converters,"in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 36, no. 3, pp. 3323-3334, March2021.
[3] M. Li, Z. Ouyang and M. A. E. Andersen,"Analysis and Optimal Design of High-Frequency and High-EfficiencyAsymmetrical Half-Bridge Flyback Converters," in IEEE Transactions onIndustrial Electronics, vol. 67, no. 10, pp. 8312-8321, Oct. 2020.
xsyjoy
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  • 2021-7-28 19:11:27
 

本人能力有限,如有错误,请关注微信公众号:开关电源研究与设计(smps_tech),欢迎批评指正,谢谢!

能源消耗
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  • 2021-7-29 10:49:43
 
理论与现实之间的差距有很多因素共存, 这两种拓补都有优缺点, 那要看外在的条件决定,合不合适。  不能说有源钳位优于不对称半桥这样的武断。。
xsyjoy
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  • 2021-7-29 18:36:25
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是的是的,这个是在相同电路参数下的简单对比
xsyjoy
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  • 2021-7-29 18:41:12
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实际使用还要考虑到很多因素
hunter4051
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  • 2021-7-29 10:54:31
 
讲解的很详细,看了收获很大,楼主有心了,感谢!
xsyjoy
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  • 2021-7-29 18:37:04
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互相学习,嘿嘿
boy59
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  • 2021-7-29 13:49:48
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ACF_AHB.jpg
个人的一点观点:俩电路主要区别在下管导通时电流路径不同ACF电流不过电容AHB电流过电容,上管导通时两种电路一样电流都过电容。
AHB全程电流都流经电容所以不支持CCM模式,ACF支持CCM模式。
ACF的零电压关断完全依赖于MOS管结电容,AHB的谐振电容对降低关断损耗有益。
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  • 2021-7-29 18:45:51
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是的,这也是一种差异。由于谐振电容参与,AHB比ACF更容易实现ZVS。但当ACF工作在过渡模式时,用励磁电流实现ZVS就比较容易了。
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  • 2021-7-30 23:30:57
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本站电子研习社的视频 梁晓军    零电压开通高效反激电源设计与分析    中讲的结论和楼主的结论相反
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  • 2021-7-31 08:38:38
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我学习学习,谢谢
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  • 2021-7-31 10:32:10
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看过视频了,本文对比是在ACF和AHB相同参数下进行的,可能不太一样。但是,AHB的调压能力很弱。我又仿真了一遍,在低压时,输出电压无论怎样都不能上到20V,和视频中说的低压时主要靠谐振电容传输能量不太一样。有时间了深入研究一下。
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  • 2021-7-31 10:34:13
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下面是基于simplis的拓扑仿真文件

AHB.rar

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ACF与AHB仿真电路

my4ai
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  • 2021-9-16 21:03:19
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楼主,我想问一下
3)里面,AHB原边电压不是上管占空比D*Vin吗,还有我斜率低不是意味着相同频率下我可以选更小的电感,是不是更好吗?
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