推進新型反激式轉換器的同步整流器

幾十年來，反激式拓撲結構在低功率AC/DC應用中占據主導地位，因為它在廣泛的工作范圍內具有簡單性和穩健性。近年來，同步整流器 (SR) 已取代反激式電源中的傳統肖特基二極管，以顯著提高效率。

隨著對效率和功率密度的需求逐年增加，反激式轉換器必須繼續從傳統的反激式拓撲結構發展而來。幾種變體已在 AC/DC 應用中成功實現，例如零電壓開關 (ZVS) 反激式、有源鉗位反激式 (ACF) 和混合反激式，它們在實現 ZVS 的同時還降低了開關損耗。這提高了效率并增加了開關頻率，這對于高功率密度設計很重要。

然而，這些新興反激變體的不同工作原理給 SR 控制帶來了新的挑戰。特別是，由于實現零電壓開關的額外開關脈沖，同步整流器通常在一個開關周期內開啟兩次。同步整流器的第二個開啟周期可能會導致許多現有 SR 控制器發生嚴重擊穿。本文提出了一種解決方案，以解決在設計具有同步整流的新反激變體時發生關鍵擊穿的風險。

通常，反激式轉換器中的零電壓開關是通過將磁化電感偏置為負極性來實現的。這允許電感器電流在初級開關導通之前將電壓拉至零。圖 1 顯示了基于輔助繞組的 ZVS 反激拓撲，這是目前可用的標準 ZVS 反激拓撲。

圖 2 顯示了 ZVS 反激式控制器的典型工作波形。

除了初級 MOSFET (Q P ) 和 SR MOSFET (Q S )，還有一個輔助 MOSFET (Q A ) 支持 ZVS 實施。在每個開關周期Q P導通之前，Q A首先短暫導通，通過變壓器的輔助繞組將磁化電感偏置到負極性。該過程在 Q P開啟之前將 Q P 漏源電壓 (V DS_QP ) 下拉至 0V，并實現零電壓開關。

Q A通常與 Q P一起放置在初級側接地端；因此，Q A和 Q P由初級反激式控制器控制，以實現同步。SR 控制器放置在次級側接地端，僅根據 Q S漏源電壓 (V DS_QS )的極性確定開啟時序。當 Q P關斷時，磁化電流被迫流向次級側，一旦 V DS_QS變為負值，Q S就應該導通，以便有效地向輸出端供電。當 Q A導通時，V DS_QS也變為負，因為變壓器的輔助繞組和次級繞組共享相同的極性。

因此，如果沒有到初級側控制器的通信路徑，SR 控制器可能很難區分 Q P關閉和 Q A打開。對于大多數現有 SR 控制器，這可能會導致第二次開啟事件。由于 Q A導通時間往往非常短，并且 Q P在 Q A之后立即導通，因此 SR 控制器會在這種導通時間模式下繼續運行，并且不能立即關閉。在這種情況下，原邊和副邊之間可能會發生擊穿，從而給電源轉換器帶來可靠性問題。

圖 3 顯示了非互補工作模式下的 ACF 拓撲結構，與互補模式相比，它使用斷續導通模式 (DCM) 來提高輕負載效率。

圖 4 顯示了 ACF 拓撲的典型工作波形。在此拓撲中，零電壓開關是通過在開啟 Q P之前第二次開啟鉗位 MOSFET (Q C ) 來實現的。這也會導致第二個 SR 門具有直通的潛在風險。

圖 5 顯示了 DCM 中的混合反激拓撲?；旌戏醇な酵負淅弥C振電容器通過變壓器輸出額外功率，并為高側 MOSFET (Q H ) 和低側 MOSFET (Q L ) 實現 ZVS。因此，混合反激式拓撲比傳統拓撲更適合更高功率的應用。

圖 6 顯示了混合反激拓撲的典型工作波形。在 DCM 下，Q H通過短時間打開 Q L來實現 ZVS。因此，混合反激式拓撲也可以經歷第二個 SR 柵極和直通。

如前一節所述，大多數現有 SR 控制器通過簡單地將漏源電壓與特定電壓閾值進行比較來確定開啟和關閉時序。這導致同步整流器可能在每個開關周期內開啟兩次，這可能與導通時間邏輯發生沖突并增加擊穿風險。需要一種先進的同步整流器控制方案來區分每個開關周期中的次和第二次導通事件，并防止在任何工作條件下發生直通。

MP6951是 MPS 的 SR 控制器，它采用智能控制方案來區分開啟事件并管理直通風險。除了監測漏源電壓的極性變化外，MP6951 還監測高電平脈沖的幅度和持續時間。

圖 7 顯示 MP6951根據漏源上的峰值電壓生成電壓閾值 (V P )。在每個開關周期中，漏源電壓與 VP 進行實時比較。只有當正脈沖持續時間長于可配置時間 (t W ) 時，才會啟用完全開啟邏輯，并且同步整流器會在漏源極性翻轉時立即開啟。

否則，即使漏源極性翻轉，導通邏輯也會被禁用或延遲。同步整流器在零電壓開關的第二個脈沖期間不導通，因為漏源電壓不超過 V P或正脈沖的持續時間不超過 t W。此外，MP6951根據各種輸入和輸出電壓組合在內部調整 tW 邏輯。因此，同步整流器總能在合適的時間開啟。

圖 8 顯示了使用 ZVS 反激拓撲時 MP6951 的工作波形。通常，SR 柵極會在初級 MOSFET 關閉后立即開啟；然而，當其他開關（包括 Q A、 Q C和 Q L）打開以進行零電壓開關時，SR 門不會打開。因此，消除了直通的風險。

新的反激式變體正在快速開發和實施，以滿足市場對更高功率密度和效率的需求。SR 控制器也必須進行調整，因為在實際應用中正在采用更多的零電壓開關變體。作為同步整流器市場的，MPS 通過MP6951提供無與倫比的穩健可靠的 SR 操作。與現有的 SR 控制器相比，MP6951 可以完美匹配任何反激變體，其關鍵優勢是消除了 ZVS 操作期間的直通風險。此外，MP6951的控制方案在適配器產品中的有效性已在理論和生產中得到充分驗證。