有源钳位反激(ACF)变换器控制方案(4)
如前几期内容所述，acf要实现高效率就必须满足功率管zvs的需求。要实现zvs就需要采用合适的控制方案。前几期中的控制策略在实现zvs方面基本都是直接或间接的调节钳位管的导通时间，增大谷值电流，从而实现主功率管zvs。这期内容中所采用的动态谐振周期控制（dynamic resonant periodcontrol, drpc）策略也是通过调节钳位管的导通时间而调节谷值电流实现的，但是不同的是，该控制策略让acf工作在非互补模式，从而降低钳位管的导通损耗，实现效率的更优化。该控制方法由台湾交通大学提出，所采用控制框图如图1所示，具体的控制模式简述如下。
图1 drpc控制框图
1. 重载下的dprc模式
该模式下，acf的栅驱动信号非互补导通输出，见图2所示。其中tm为主功率管ml工作波形，taux为钳位管mh工作波形。taux只在tm为0的第③区域为高电平，这样的好处在于可以尽可能的降低谐振电流的有效值，从而产生较小的钳位管导通损耗。通过调节taux的时间长度，可以调节谷值电流的大小。只要taux的时间调节足够精确，就可以使acf在全输入电压范围下都能够恰好实现zvs。这样，通过这种控制方式，即降低了死区损耗的大小，也降低了钳位管损耗的大小，从而可以进一步优化效率。
图2 drpc下acf工作波形
2. 中载下的qr模式
当负载下降到一定范围时，acf将工作在传统反激的准谐振qr工作模式，波形见图3。在该模式下，tm的时间长度基本不变，通过调节tm的开通位置实现谷值导通。这样，系统工作在轻微变频状态，从而使输出电压能够在不同负载保持稳定。
图3 qr下的acf工作波形
3. 轻载下的ff模式
当负载进一步下降时，系统工作在频率折叠（frequency-foldback，ff）模式。该模式和qr刚好相反，谷底导通的位置保持不变，都在第六个谷底时开通主功率管，但tm的导通时间不断减小，用于实现不同负载下的调节。该模式下的频率变化比qr变化剧烈。
图4 ff下的acf工作波形
4. 待机下的绿色模式
当负载非常小时，acf工作在绿色模式。该模式下，tm的导通时间保持不变，开关频率保持不变。
图5 绿色模式下的acf工作波形
通过这四个工作模式，acf既实现在不同负载下的稳压调节目标，也实现zvs的调节功能，实现较高的效率工作。开关频率的变化曲线如图6所示。
图6 该控制方式下的频率变化曲线
该控制方式的优缺点简单分析如下：
1） acf真正实现zvs的负载范围较窄，只能在drpc模式下实现。虽然可以提高重载下acf的峰值效率，但acf的平均效率预估较低；
2） drpc模式下实现acf的能量主要依靠漏感中的能量，需要漏感大于一定的值，zvs才可以在全输入范围内轻松实现；
3） drpc模式下副边电流出现“双包”波形，不利于同步整流控制；
4） drpc模式下钳位管并不是严格的zvs开启，可能会增大钳位管开关损耗；
5） drpc模式下钳位管具有较长的续流时间，不适合采用gan半导体功率器件；
6） qr模式和ff模式下的谷底导通位置对控制要求较高，也需要考虑实际电路参数的漂移影响；
7）频率变化范围较宽，不利于磁性元件设计。
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1. 重载下的dprc模式
该模式下，acf的栅驱动信号非互补导通输出，见图2所示。其中tm为主功率管ml工作波形，taux为钳位管mh工作波形。taux只在tm为0的第③区域为高电平，这样的好处在于可以尽可能的降低谐振电流的有效值，从而产生较小的钳位管导通损耗。通过调节taux的时间长度，可以调节谷值电流的大小。只要taux的时间调节足够精确，就可以使acf在全输入电压范围下都能够恰好实现zvs。这样，通过这种控制方式，即降低了死区损耗的大小，也降低了钳位管损耗的大小，从而可以进一步优化效率。
图2 drpc下acf工作波形
2. 中载下的qr模式
当负载下降到一定范围时，acf将工作在传统反激的准谐振qr工作模式，波形见图3。在该模式下，tm的时间长度基本不变，通过调节tm的开通位置实现谷值导通。这样，系统工作在轻微变频状态，从而使输出电压能够在不同负载保持稳定。
图3 qr下的acf工作波形
3. 轻载下的ff模式
当负载进一步下降时，系统工作在频率折叠（frequency-foldback，ff）模式。该模式和qr刚好相反，谷底导通的位置保持不变，都在第六个谷底时开通主功率管，但tm的导通时间不断减小，用于实现不同负载下的调节。该模式下的频率变化比qr变化剧烈。
图4 ff下的acf工作波形
4. 待机下的绿色模式
当负载非常小时，acf工作在绿色模式。该模式下，tm的导通时间保持不变，开关频率保持不变。
图5 绿色模式下的acf工作波形
通过这四个工作模式，acf既实现在不同负载下的稳压调节目标，也实现zvs的调节功能，实现较高的效率工作。开关频率的变化曲线如图6所示。
图6 该控制方式下的频率变化曲线
该控制方式的优缺点简单分析如下：
1） acf真正实现zvs的负载范围较窄，只能在drpc模式下实现。虽然可以提高重载下acf的峰值效率，但acf的平均效率预估较低；
2） drpc模式下实现acf的能量主要依靠漏感中的能量，需要漏感大于一定的值，zvs才可以在全输入范围内轻松实现；
3） drpc模式下副边电流出现“双包”波形，不利于同步整流控制；
4） drpc模式下钳位管并不是严格的zvs开启，可能会增大钳位管开关损耗；
5） drpc模式下钳位管具有较长的续流时间，不适合采用gan半导体功率器件；
6） qr模式和ff模式下的谷底导通位置对控制要求较高，也需要考虑实际电路参数的漂移影响；
7）频率变化范围较宽，不利于磁性元件设计。
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