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对于有源钳位正激转换器(ACFC)，占空比是一个关键参数，会影响输出电压和效率。通常，正激转换器的最大占空比以50%为限。采用有源钳位技术，占空比可以高于50%，超越传统设计的限制。有许多文章都说明了最大占空比与ACFC拓扑之间的关系，但讨论如何设计最小占空比的文章并不多。

本文以隔离式ACFC电源为例，阐述最小占空比对设计的影响。该转换器用于将输入24 VAC或48 ~ 60 VDC，转化为15VDC，1.5 A输出。其隔离特性使其适合为现场工业应用供电。ACFC拓扑帮助实现了高达91%的峰值效率。设计要求如表1所示。

表1. 设计要求


图1. 通用输出自整流电路

然而，当输出电压接近或超过 MOSFET栅极电压工作范围时，这个设计就不合适了。我们可以通过附加电路来产生这些MOSFET的栅极驱动电压。图2为该电路的细节信息。G1和G2连接到变压器的辅助绕组。


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。公式1反映了栅极驱动电压与匝数比之间的关系。


KGATE为变压器比率。NG为变压器绕组的匝数。NP为变压器初级绕组的匝数。VGATE_MAX为MOSFET栅极驱动电压的最大电压。VDC_MAX 为直流输入电压的最大电压。

当初级环路的主开关闭合时，施加于变压器的电压为正，即 VDC。因此，栅极1的输出为高电平，栅极2的输出为GND。它与匝 数比和直流输入电压有关。


当主MOSFET关断时，钳位电路将漏极电压限制为VCLAMP。VCLAMP高于VDC，因此栅极1的输出为GND，而栅极2的输出为高电平。

钳位电压可通过下式计算：


栅极2的电压与匝数比以及VCLAMP和 VDCINPUT之间的差距有关。


占空比会随输入电压而变化，因此必须确保栅极的驱动电压能 够以完整的 VIN范围驱动MOSFET。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。

p>在设计示例中，栅极2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。


如果该电压低于VGS导通阈值，则二次整流电路的MOSFET将无法准确工作。这可能导致当输入电压接近最大值时，电源在没有任何负载的情况下无法启动。在示例电路中，VGS阈值电压为3 V， 小于计算出的最小VGATE2 。

图4为示例电路的测量结果。CH1为栅极1的电压。CH2为栅极2的电压。CH4为主面N-MOS的源漏电压。


图5. 不同负载下的输入和输出电压

图6显示了输出电压水平如何随输出电流不同而变化。不同的线表示不同的输入电压。


图7. 峰值效率

波特图显示了峰值效率工作条件下的环路稳定性，即 VDCINPUT = 36 V、 IOUTPUT = 1.5 A。

图8显示了环路响应。


图9. 空载时输出峰峰值电压


图11. 瞬态响应（0 A至1.5 A）

图12. 瞬态响应（1.5 A至0 A）

结论

综上所述，对ACFC的研究让我们对其性能和效率有了重要认识。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，最小占空比会受到限制。

此外，ACFC凭借其出色的能量回收特性，成为了有前景的高效电源系统解决方案。通过本文可知，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的整流电路都很重要。

将本研究的成果应用于设计和实施ACFC，有助于避免设计阶段出现问题。