有源鉗位拓撲是眾多流行拓撲結構中的一種，因為其允許在一個(gè)電子子系統中高效地將總線(xiàn)電壓轉換為邏輯 IC 上所需的電壓。一篇回顧有源鉗位拓撲關(guān)斷重置開(kāi)關(guān)的文章已經(jīng)刊發(fā)[1]。這篇文章完整地介紹了開(kāi)關(guān)周期。此外，該文章還描述了主開(kāi)關(guān)從“開(kāi)”到“關(guān)”的轉換，以及“有源鉗位”開(kāi)關(guān)開(kāi)啟點(diǎn)電路的電壓和電流。這種對于有源鉗位開(kāi)關(guān)的描述，主要針對有源鉗位正向轉換器輸出電感中存在連續電流的情況。文中提及的變壓器為一種理論模型，其描述了漏極電感 LL、磁化電感 Lm 以及耦合繞組 Np 和 Ns 等獨立元件。該介紹以周期的功率分配中點(diǎn)開(kāi)始，并將圖 1 所示電路作為討論的根據。箭頭表示正電流。由于其本身固有的主體二極管和漏—源電容，圖中還顯示了開(kāi)關(guān) Q1(有源鉗位開(kāi)關(guān))和 Q2。我們之所以還能夠看到 Q3 和 Q4 柵—漏電容，是由于它們會(huì )影響電流。

圖 1 拓撲、電壓和電流為了簡(jiǎn)化示波器波形，將主次接地參考連接在一起以形成一個(gè)公共接地。初始條件為：Q2 開(kāi)啟，流經(jīng) Q2 (Iq2) 的電流等于來(lái)自 Vin (IIN) 的電流。Q3 開(kāi)啟，并將電流導過(guò)次級繞組 Iout。Q1 和 Q4 都關(guān)閉。Q1 的漏極具有約負 2 Vin 偏置電壓，同時(shí) Q4 漏極的電壓為 Vin*(Ns/Np)。電流 Iin 流經(jīng)變壓器的主繞組、引腳 1 和 引腳 2，從而首先流經(jīng)漏極電感 LL，之后分流為 Im 和 Ip。Im 為流經(jīng) Lm 的磁化電流，而 Ip 為通過(guò)主繞組 Np 與次級耦合的電流。隨后，Im 和 Ip 電流重新會(huì )合，在引腳 2 從變壓器流出，最后流過(guò)開(kāi)關(guān) Q2。電流 Is 等于在引腳 4 從變壓器次級繞組流出的電流 Ip*(Np/Ns)，其反映了流經(jīng) Np的電流 Ip。結果是這兩種電流在磁芯中磁通相抵。另一方面，磁化電流是由一次側磁化電感兩端的輸入電壓引起的。該電流以 Vin/Lm 比率不斷增加。在引腳 4 上，變壓器的二次側電壓高于輸出電壓。二者之間的差會(huì )導致 Q2 開(kāi)啟期間流經(jīng)輸出電感的電流不斷增加。同時(shí)，該電流還以 (((Vin*(Ns/Np)) – Vout)/Lout 比率不斷增加。當反射至一次側時(shí)，這種變化的電流會(huì )比 Im 具有更高的變動(dòng)率。因此，它通常是計算控制環(huán)路時(shí)唯一要考慮的電流斜坡。測試部件的變壓器擁有 6：1 的匝數比，因此您在查看波形時(shí)必須將其考慮在內。由于變壓器引腳 3 和引腳 4 兩端存在電壓，Q3 在 Q3 米勒電容柵極側被偏置，同時(shí) Cgdq3 被偏置為高電平。由于轉換開(kāi)始 Q1 關(guān)閉，因此在該 P 通道 FET 漏極上存在一個(gè)負電壓。假設占空比為 50%， Cr 兩端的電壓則約為 Vin 的 2 倍，同時(shí) Q1 漏極(即 P 通道 FET)上的電壓為低于接地電壓 2*Vin。由于相比 LL，Lout 和 Lm 均相對較大，并且這種情況下我們所說(shuō)的是約 120 納秒的時(shí)幀，因此我們可以假設 Iout(流經(jīng) Lout 電流)和 Im(流經(jīng)磁化電感的電流)始終保持恒定。我們將要描述的事件順序共有 5 個(gè)不同的階段。每個(gè)階段的開(kāi)始和結尾均在如圖 2-3 所示屏幕截圖中標示出來(lái)，其分別為 t1、t2、t3、t4 和 t5。從 t1 開(kāi)始，該控制電路關(guān)閉 Q2。這是一個(gè)非�？焖俚霓D換。由于 Q2 和 Q1 的極大漏—源電容，其為一個(gè)從 Q2 的低阻抗到高阻抗的零電壓轉換。從變壓器引腳 2 流出的電流現在正對 Q2 的固有漏—源電容充電，并經(jīng)過(guò)重置電容 Cr 流入 Q1，從而導致變壓器引腳 2 的電壓線(xiàn)性上升，以及 Q1 漏極電壓的相應上升�，F在，我們需要來(lái)研究一下相對電壓。

圖 2 變壓器引腳 2 和引腳 4 上的電壓



圖 3 變壓器引腳 2 和引腳 3 上的電壓引腳 2 上的電壓增加(也即時(shí)間t1的電壓)，反映在整個(gè)變壓器繞組中。這就導致引腳 4 上電壓的下降。由于 Np 和 Ns 繞組的電壓必須保持平衡，所以在 Q4 的漏—源電容以及 Q3 和 Q4 的柵—漏電容均存在電壓變化。Lout 中的電流不會(huì )有較大的變化，因此從這三個(gè)電容流出的電流必然是 Is 和 Ip 變化的結果。Ip 中電流的微小變化導致主次級電容電壓以一種平穩的速率變化。這時(shí)，當 Q3 即將關(guān)閉時(shí)，輸出電感便能夠通過(guò) FET 自身下拉所有其需要的電流(柵極電阻延遲了 FET 關(guān)閉)。Q4 的主體二極管被反向偏置。在這部分轉換期間，引腳 2 的電壓仍然低于 Vin，因此主電流即流入變壓器的 Iin 沒(méi)有理由下降。輸出電感兩端的電壓隨引腳 4 的電壓下降而變化，以反映主繞組電壓的逐漸下降。由于變壓器引腳 4 的電壓不斷下降，因此輸出電感兩端的電壓會(huì )發(fā)生變化�，F在，輸出電壓 Vout 超出了變壓器引腳 4 的電壓。這些因素以一個(gè)固定比率不斷變化，因為 Iin 不斷線(xiàn)性地對 Q1 和 Q2 的漏—源電容充電，直到出現時(shí)間 t2，也即引腳 2 電壓達到 Vin (50V)，Q1 漏極電壓達到–50V，以及引腳 4 電壓達到零伏時(shí)。時(shí)間 t2至 t3 期間，流經(jīng)一次側漏極電感的電流仍然幾乎與轉換之初相同，同時(shí)引腳 4 的電壓不斷下降。這反映在引腳 2 的電壓中，其超出變壓器引腳 1 的電壓。輸入電流的任何變化都是由對輸出開(kāi)關(guān)柵—源電容的充電和放電引起的，并且這種變化非常小。反向一次側電壓可使引腳 4 的電壓繼續下降，達到接地電平以下，而引腳 3 卻保持在接地電平，因為 Q3 連續關(guān)閉，請參見(jiàn)圖 3。FET Q4 兩端的電壓下降不足以使電流通過(guò) Q4 的主體二極管。與此同時(shí)，Q3 還沒(méi)有完全關(guān)閉。這就迫使輸出電感不斷從變壓器二次側吸收電源。結果是，在一次側中出現持續電流，而在引腳 2 上電壓不斷上升。這種情況將會(huì )持續到時(shí)間 t3，其 Q4 的主體二極管開(kāi)始導電�，F在，可以從變壓器引腳 4 吸收輸出電感電流，并流經(jīng) Q4。一次側漏極電感現在將形成一個(gè)電壓，以平衡引腳 2 上不斷上升的電壓，這樣便可以持續地吸收電流。這種情況開(kāi)始減少可反映流經(jīng) Q3 電流減少的輸入電流 Iin，因為 Iout 電流開(kāi)始向 Q4 主體二極管轉換。時(shí)間 t3 到 t4 反映的是從 Ns 繞組吸電流到流經(jīng) Q4 主體二極管的輸出電流 Iout 轉換。Np 和 Ns 繞組電流的減少，用變壓器引腳 2 電壓斜坡表示，其隨流經(jīng)變壓器一次側 Np 電流的減少而變緩、變平。與此同時(shí)，引腳 3 上的電壓不斷上升，同引腳 4 電壓的情況一樣，其為負電壓。結果是變壓器引腳 3 和引腳 4 的近似零的微小變化，但卻產(chǎn)生整個(gè)繞組的正電壓漂移。這種情況將關(guān)閉 Q3，并開(kāi)啟 Q4。獲得這種結果所必需的電流，對 Q4 的柵—漏電容充電，對 Q3 的柵—漏電容放電，進(jìn)入引腳 4，最后從引腳 3 流出。該電流由一次側磁化電流提供，其位于周期中這一點(diǎn)的峰值處。流經(jīng) Np 的磁化電流 Im以 Ip 的反向流動(dòng)。其使得 Is 電流反向，從而讓 Q4 的柵極得到充電。由于該磁化電流 Im 現在將高效地流經(jīng) Np，因此它現在從 Vin 吸收電流，并使其對 Q1 和 Q2 的漏—源電容充電。所以，從引腳 2 出來(lái)轉變?yōu)樽儔浩饕�腳 2 電壓的電流極少(或者沒(méi)有)。結果是在上述 t3 和 t4 之間引腳 2 上出現相對穩定的電壓。這時(shí)候，該周期就幾乎結束了。Q4 通過(guò)內部二極管導電并將被開(kāi)啟，但在 t4 到 t5 時(shí)間段將會(huì )較難開(kāi)啟。就 t4 到 t5 之間的時(shí)間段而言，磁化電流在對 Q1 和 Q2 的漏—源電容充電和對 Q3 的柵—漏電容放電之間分流，并對 Q4 柵—漏電容進(jìn)一步充電。由于這些電容均為非線(xiàn)性，并且 Q3 兩端的電壓不斷上升，因此需要的電流量不會(huì )是一個(gè)恒量。該電流 Im 來(lái)自 Lm，因此引腳 2 上的電壓將反映該轉換的非線(xiàn)性。在 t5 處，Q1 的漏—源電壓從 –2 Vin 爬升至接地電平以上的二極管壓降，同時(shí)內部主體二極管開(kāi)始導電。這就是說(shuō)，再次從引腳 2 流出的任何電流現在都會(huì )改變 Cr 的電壓，而 Cr 為一個(gè)更大容量的電容。因此，這種改變將極其緩慢，相比已經(jīng)出現的情況其可以忽略不計。這時(shí)便能夠以一種無(wú)損耗方式開(kāi)啟晶體管 Q1。這就完成了無(wú)損耗一次側開(kāi)關(guān)操作。二次側轉換也為相對無(wú)損耗，因為通過(guò)內部寄生主體二極管在零伏完成了從一個(gè)整流器到另一個(gè)整流器的電流開(kāi)關(guān)。

結論

　　總之，對于這部分周期內轉換順序的充分理解可以帶來(lái)更好的設計。我們已經(jīng)了解了，通過(guò)從轉換輸出開(kāi)關(guān)到開(kāi)啟鉗位開(kāi)關(guān)關(guān)閉主開(kāi)關(guān)時(shí)，變壓器和輸出開(kāi)關(guān)中每一個(gè)元件所起的作用。