全橋相移式 (PSFB) 轉換器 (請參閱 圖 1) 廣泛應用於高功率應用,主要是因為 PSFB 轉換器可在輸入開關上實現軟切換,進而提升轉換器效率 [1]。雖然軟切換可大幅減少切換損耗,但輸出整流器寄生電容會與在 圖 1 中做為 Lr 的變壓器洩漏電感器共振,產生具高電壓應力 [2] 的電壓振鈴。
輸出整流器的電壓應力可高達 2 x VIN x NS/NP,其中 NP 和 NS 分別是變壓器的主要與次要繞組。傳統上會在輸出整流器使用被動式緩衝器 [2] (如 圖 1 中的電阻器電容器二極體 [RCD] 緩衝器) 以防止整流器電壓過高,並利用額定電壓較低且品質因數較佳的元件來降低功耗。
若將金屬氧化半導體場效電晶體 (MOSFET) 做為同步整流器 (SR) 使用,與額定電壓較高的 MOSFET 相比,在相同成本位準下,較低額定電壓 MOSFET 上的 Coss 和 RDS(on) 會較低。但使用被動式緩衝器代表造成電壓振鈴的能源部分會在被動式緩衝器中耗散,造成效率降低。
本文說明主動式 (而非被動式) 緩衝器及其相關控制,可將整流器電壓應力降到最低以達更高轉換器效率,同時大幅減少緩衝器電路中的能量耗散,而無需犧牲運算範圍。
如 圖 2 中所示,在輸出電感器前插入由電容器 (CCL) 和 MOSFET (QCL) 組成的主動箝位腳,可在有效工作週期 (Deff) 期間啟用主動箝位腳電流傳導,進而箝制次要繞組電壓 (VSEC) 及整流器電壓應力至 CCL 電壓 – VCL。若想在輸出整流器上擁有低電壓應力,您必須為低電容器電壓漣波選擇夠大的 CCL。根據經驗法則,應將 Lr 和 CCL 組成的電感器電容器 (LC) 共振時間選為比切換時間 (Ts) [3] 更長,以 方程式 1 表示:
整流器電壓應力會以主動式緩衝器箝制在 VINx NS/NP 周圍,約為無箝位電路下電壓應力的一半。
與被動式緩衝器不同,主動式緩衝器不會耗散功率電阻器上的振鈴能量。而是以無損耗緩衝器方式循環 LC 諧振電路中的能量。當輸出繞組電壓變成非零時,能量會從主要繞組轉至次要繞組以為輸出電感器通電、並透過 QCL 本體二極體傳導電流 (即使 QCL 未開啟)。在本體傳導電流後開啟 QCL 可確保 QCL 上的零電壓切換 (ZVS)。因此在相同規格下,可預期具主動式緩衝器的 PSFB 轉換器效率會比具被動式緩衝器的 PSFB 轉換器效率高。