推进新型反激式转换器的同步整流器

几十年来，反激式拓扑结构在低功率AC/DC应用中占据主导地位，因为它在广泛的工作范围内具有简单性和稳健性。近年来，同步整流器 (SR) 已取代反激式电源中的传统肖特基二极管，以显着提高效率。

随着对效率和功率密度的需求逐年增加，反激式转换器必须继续从传统的反激式拓扑结构发展而来。几种变体已在 AC/DC 应用中成功实现，例如零电压开关 (ZVS) 反激式、有源钳位反激式 (ACF) 和混合反激式，它们在实现 ZVS 的同时还降低了开关损耗。这提高了效率并增加了开关频率，这对于高功率密度设计很重要。

然而，这些新兴反激变体的不同工作原理给 SR 控制带来了新的挑战。特别是，由于实现零电压开关的额外开关脉冲，同步整流器通常在一个开关周期内开启两次。同步整流器的第二个开启周期可能会导致许多现有 SR 控制器发生严重击穿。本文提出了一种解决方案，以解决在设计具有同步整流的新反激变体时发生关键击穿的风险。

通常，反激式转换器中的零电压开关是通过将磁化电感偏置为负极性来实现的。这允许电感器电流在初级开关导通之前将电压拉至零。图 1 显示了基于辅助绕组的 ZVS 反激拓扑，这是目前可用的标准 ZVS 反激拓扑。

图 2 显示了 ZVS 反激式控制器的典型工作波形。

除了初级 MOSFET (Q P ) 和 SR MOSFET (Q S )，还有一个辅助 MOSFET (Q A ) 支持 ZVS 实施。在每个开关周期Q P导通之前，Q A首先短暂导通，通过变压器的辅助绕组将磁化电感偏置到负极性。该过程在 Q P开启之前将 Q P 漏源电压 (V DS_QP ) 下拉至 0V，并实现零电压开关。

Q A通常与 Q P一起放置在初级侧接地端；因此，Q A和 Q P由初级反激式控制器控制，以实现同步。SR 控制器放置在次级侧接地端，仅根据 Q S漏源电压 (V DS_QS )的极性确定开启时序。当 Q P关断时，磁化电流被迫流向次级侧，一旦 V DS_QS变为负值，Q S就应该导通，以便有效地向输出端供电。当 Q A导通时，V DS_QS也变为负，因为变压器的辅助绕组和次级绕组共享相同的极性。

因此，如果没有到初级侧控制器的通信路径，SR 控制器可能很难区分 Q P关闭和 Q A打开。对于大多数现有 SR 控制器，这可能会导致第二次开启事件。由于 Q A导通时间往往非常短，并且 Q P在 Q A之后立即导通，因此 SR 控制器会在这种导通时间模式下继续运行，并且不能立即关闭。在这种情况下，原边和副边之间可能会发生击穿，从而给电源转换器带来可靠性问题。

图 3 显示了非互补工作模式下的 ACF 拓扑结构，与互补模式相比，它使用断续导通模式 (DCM) 来提高轻负载效率。

图 4 显示了 ACF 拓扑的典型工作波形。在此拓扑中，零电压开关是通过在开启 Q P之前第二次开启钳位 MOSFET (Q C ) 来实现的。这也会导致第二个 SR 门具有直通的潜在风险。

图 5 显示了 DCM 中的混合反激拓扑。混合反激式拓扑利用谐振电容器通过变压器输出额外功率，并为高侧 MOSFET (Q H ) 和低侧 MOSFET (Q L ) 实现 ZVS。因此，混合反激式拓扑比传统拓扑更适合更高功率的应用。

图 6 显示了混合反激拓扑的典型工作波形。在 DCM 下，Q H通过短时间打开 Q L来实现 ZVS。因此，混合反激式拓扑也可以经历第二个 SR 栅极和直通。

如前一节所述，大多数现有 SR 控制器通过简单地将漏源电压与特定电压阈值进行比较来确定开启和关闭时序。这导致同步整流器可能在每个开关周期内开启两次，这可能与导通时间逻辑发生冲突并增加击穿风险。需要一种先进的同步整流器控制方案来区分每个开关周期中的次和第二次导通事件，并防止在任何工作条件下发生直通。

MP6951是 MPS 的 SR 控制器，它采用智能控制方案来区分开启事件并管理直通风险。除了监测漏源电压的极性变化外，MP6951 还监测高电平脉冲的幅度和持续时间。

图 7 显示 MP6951根据漏源上的峰值电压生成电压阈值 (V P )。在每个开关周期中，漏源电压与 VP 进行实时比较。只有当正脉冲持续时间长于可配置时间 (t W ) 时，才会启用完全开启逻辑，并且同步整流器会在漏源极性翻转时立即开启。

否则，即使漏源极性翻转，导通逻辑也会被禁用或延迟。同步整流器在零电压开关的第二个脉冲期间不导通，因为漏源电压不超过 V P或正脉冲的持续时间不超过 t W。此外，MP6951根据各种输入和输出电压组合在内部调整 tW 逻辑。因此，同步整流器总能在合适的时间开启。

图 8 显示了使用 ZVS 反激拓扑时 MP6951 的工作波形。通常，SR 栅极会在初级 MOSFET 关闭后立即开启；然而，当其他开关（包括 Q A、 Q C和 Q L）打开以进行零电压开关时，SR 门不会打开。因此，消除了直通的风险。

新的反激式变体正在快速开发和实施，以满足市场对更高功率密度和效率的需求。SR 控制器也必须进行调整，因为在实际应用中正在采用更多的零电压开关变体。作为同步整流器市场的，MPS 通过MP6951提供无与伦比的稳健可靠的 SR 操作。与现有的 SR 控制器相比，MP6951 可以完美匹配任何反激变体，其关键优势是消除了 ZVS 操作期间的直通风险。此外，MP6951的控制方案在适配器产品中的有效性已在理论和生产中得到充分验证。