NEST042 July 2019 UCC28780 , UCC28782
在返馳轉換器的標準形式中，變壓器的洩漏電感會在主要場效應電晶體 (FET) 汲極產生電壓突波。爲防止此突波過多並造成損害，FET 需要一個通常是耗散箝位的箝位網路，如圖 1所示。但在耗散箝位中的功率會限制返馳轉換器的效率。在本用電訣竅中，我專門研究使用非耗散箝位技術回收漏感能量並提高效率的返馳式轉換器的兩種不同變體。
圖 1 大多數返馳式轉換器皆採用耗散箝位。耗散箝位中的電源損耗，與各切換週期洩漏電感中儲存的能源有關。FET 開啟時，變壓器主要繞組中的電流會增加至由控制器決定的峰值電流。此峰值電流會在主要磁化和洩漏電感中流動。FET 關閉時，磁化能會透過變壓器的次要繞組傳送至輸出。洩漏能源不會透過變壓器核心耦合，因此會保持在一次側並流入箝位。
務必要了解，不僅箝位中耗散的洩漏能源，即使只是磁化能的一部分也同樣重要。如用電訣竅 #17 中所述，使一次繞組電壓遠高於反射輸出電壓，可在最大限度內減少箝位中消耗的磁化能。
雙開關返馳是返馳式轉換器常見的變異，可回收洩漏能源。圖 2 是雙開關返馳的簡化電路圖。兩個主要 FET 皆以串聯方式連接，並於之間一次繞組串聯。這兩個 FET 同時開啟或關閉。開啟時，一次繞組會連接至輸入，並會通電為峰值電流。關閉時，二次繞組會將磁化能傳送至輸出，並透過 D1 和 D2 將洩漏能源回收回輸入。雙開關返馳可回收漏電能量，其效率比單開關耗散箝位裝置更高。
圖 2 雙開關返馳將洩漏能源回收至輸入。由於兩個開關同時進行傳導，因此獲得的效率會稍微偏移，而且傳導損耗通常會增加，特別是在低輸入電壓應用中。還好有兩個 FET 的汲極至源極電壓會箝制輸入電壓，因此相較於單開關返馳，您可以使用低電壓額定值的 FET。箝位電壓應力也對高輸入電壓應用有利。
效率增益與洩漏電感與磁化電感的比率有關，通常約為 2%。回收除了效率更高之外，同時還有其他好處。在高功率返馳應用 (通常大於 75W) 中，耗散箝位中的損耗會造成一場熱管理災難。雙開關交器返馳可完全免除此熱源。
為提高效率與提升熱性能，需在成本與複雜性上有所取捨。不僅需要額外的 FET，也需要高側 FET 的隔離式驅動器。此外，需設定變壓器匝比，讓反射的輸出電壓小於最小輸入電壓。否則，輸出電壓將被箝位，變壓器將無法正確重設。因此，雙開關返馳固有的限制為最大 50% 工作週期。事實上，反射的輸出電壓應充分低於最小輸入電壓，讓洩漏電感快速重設。
圖 3 中的電路顯示了另一種回收洩漏能源的方式，但採用的是單開關返馳。這種非耗散箝位並不陌，但也非衆所周知。它提供了與雙開關返馳相同的許多優點。
圖 3 在單開關返馳中加入簡單的非耗散箝位。執行此箝位時，必須在變壓器的一次側增加箝位繞組。此繞組的圈數必須與主要繞組相同。增加箝位電容器並與 FET 汲極相連。箝位電容器的另一端會透過二極體 D1 箝位輸入電壓，並透過二極體 D2 箝位繞組。
箝位繞組和 D2 會將箝位電容器的電壓限制在與輸入電壓相等的最大值，在主要迴路套用 Kirchoff 的電壓定律時就能看出這一點，如 圖 4 所示。請注意，無論極性或幅度為何，兩個一次繞組電壓都會互相抵消。此方法僅在兩個繞組上使用相同圈數時有效。
圖 4 箝位電容器電壓受輸入電壓限制。如要了解此箝位的運作方式，請思考 FET 關閉時會發生什麼事。一次要 FET 關閉時，洩漏電感中的電流會流經箝位電容器和正向偏壓二極體 D1。D1 開啟時，洩漏電感上的電壓等於輸入電壓與反射輸出電壓間的差異。一旦洩漏電感中的電流降至零，D1 便會關閉。傳送至箝位電容器的洩漏能源會暫時增加箝位電容器上的電壓，使其略高於輸入電壓。D1 關閉時，D2 箝位會透過變壓器繞組中的耦合，將儲存的電荷有效傳輸至輸出。
此箝位電路所需元件更少，而且比雙開關返馳便宜。就像雙開關返馳一樣，效率提升了幾個百分點，並免除了與洩漏能源消耗相關的散熱問題。此箝位電路也會將工作循環限制在 50% 最大值。但要取捨的則是電路需要較高電壓的 FET，其額定電壓必須為輸入電壓的兩倍以上。與雙開關返馳相比，FET 汲極上的較高電壓也可能帶來更多的電磁干擾問題。
主動箝位返馳是另一個返馳版本，可回收洩漏能源量，同時可提供零電壓切換。主動箝位返馳較為複雜，需要 UCC28780 等專用控制器，非常值得擁有它的用電訣竅，所以我要將這個討論留到以後再討論。下次設計高功率返馳時，請考慮採用非耗散箝位以提升效率，並讓電源供應器保持冷卻。