揭秘有源钳位正激转换器：最小占空比与电路性能 解析有源钳位正激转换器：最小占空比设计与应用

本文围绕有源钳位正激转换器（ACFC）展开，介绍了占空比这一关键参数对其输出电压和效率的影响，以隔离式ACFC电源为例阐述最小占空比的设计影响，详细探讨二次自整流电路的设计考虑，并对示例电路进行性能测试，最后得出关于ACFC性能、占空比以及应用的相关结论。

在有源钳位正激转换器（ACFC）的领域中，占空比可谓是一个举足轻重的关键参数，它如同一只无形的手，深刻地影响着转换器的输出电压和效率。一般而言，传统正激转换器的最大占空比往往被限制在50%。然而，随着有源钳位技术的出现，这一限制被成功打破，占空比能够高于50%，为转换器的设计开辟了新的天地。目前，已经有不少文章对最大占空比与ACFC拓扑之间的关系进行了阐述，但专门讨论如何设计最小占空比的文章却相对较少。

接下来，本文将以隔离式ACFC电源作为具体示例，深入剖析最小占空比对设计所产生的影响。这款转换器主要用于将输入的24 VAC或者48 ~ 60 VDC，转化为15 VDC、1.5 A的输出。其具备的隔离特性，使得它非常适合为现场工业应用提供电力支持。值得一提的是，ACFC拓扑助力该转换器实现了高达91%的峰值效率。具体的设计要求如下表所示。

表1. 设计要求

ADI公司的MAX17598是一款有源钳位电流模式PWM控制器，它集成了隔离正激转换器电源设计所需的所有控制电路。本文将对二次自整流电路设计的考虑因素和评估结果进行深入探讨。

01 二次自整流电路的设计考虑

ACFC通过采用自整流电路，有效地提高了效率。下图为基于MOSFET的典型自整流电路原理图。与传统的二极管整流电路相比，MOSFET具有更低的导通电阻，这使得其电路效率更高，尤其是在低电压、大电流输出的情况下，这种优势更为明显。

图2. 辅助绕组变压器中的栅极驱动电路

在该电路中，栅极1连接到N2的栅极（如图1所示），栅极2连接到N1的栅极。栅极1和栅极2与开关周期同步。当栅极1输出高电平时，栅极2输出低电平，反之亦然。完整的电路如下图所示。

图3. 性能测试使用的示例电路

该环路必须确保输出处于MOSFET VGS的工作范围内。下面的公式反映了栅极驱动电压与匝数比之间的关系。

当主MOSFET关断时，钳位电路会将漏极电压限制为VCLAMP。由于VCLAMP高于VDC，所以栅极1的输出为GND，而栅极2的输出为高电平。

钳位电压可通过以下公式进行计算：

占空比会随着输入电压的变化而改变，因此必须确保栅极的驱动电压能够在完整的VIN范围内驱动MOSFET。当应用最大直流输入和最小导通率时，栅极驱动电压将达到最小值。

在设计示例中，栅极2的最低电压可依照式5进行计算。当输入直流电压达到最大值时，栅极2上的电压只有4.23 V。

图4. 栅极1和栅极2电压以及MOSFET漏极电压(VIN = 60 V) 。

02 示例电路的性能

为了验证栅极驱动电路计算的准确性，我们对示例电路进行了性能测试。下图展示了不同负载电流（0A、0.5A、1A、1.5A）下的输入和输出电压。

图6. 输出电流和输出电压

下图呈现了不同输入电压和负载下的峰值效率。当输入为36 V、输出为1.5 A时，峰值效率达到了91%。

图8. 波特图

图9和图10分别显示了无负载电流和满负载情况下的输出峰峰值电压。

图10. 满负载1.5 A时输出峰峰值电压

图11和图12展示了负载瞬态响应。图11为负载从零变为满负载的情况，图12为负载从满负载变为零的情况。CH1测量的是输出电压（交流耦合），CH2测量的是输出负载电流。

图12. 瞬态响应（1.5 A至0 A）

03 结论

综上所述，通过对ACFC的深入研究，我们对其性能和效率有了更为深刻的认识。通过分析二次整流电路的设计以及占空比的影响，我们发现，当需要额外的辅助栅极驱动电路时，最小占空比会受到一定的限制。

此外，ACFC凭借其出色的能量回收特性，成为了一种极具前景的高效电源系统解决方案。从本文的研究中我们可以得知，占空比存在一个最佳范围。也就是说，最大占空比和最小占空比对于基于MOSFET的整流电路都至关重要。

将本研究的成果应用于ACFC的设计和实施过程中，有助于避免在设计阶段出现一些不必要的问题。

本文围绕有源钳位正激转换器（ACFC）展开研究，分析了占空比这一关键参数对其输出电压和效率的影响，以隔离式ACFC电源为例探讨最小占空比设计，详细阐述二次自整流电路设计考虑并进行性能测试。研究发现额外辅助栅极驱动电路会限制最小占空比，ACFC能量回收特性使其成为高效电源解决方案，占空比存在最佳范围，应用研究成果可避免设计阶段问题。