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圖2.反激式拓撲

當(dāng)初級開關(guān)管斷開時承受的總的電壓應(yīng)力主要由三個方面組成：第一是輸入電壓，第二是儲存的能量通過變壓器輸送到負載時，初級線圈上將感應(yīng)出反射電壓Vrefl，Vrefl的幅值由輸出電壓和匝比決定；第三是電壓尖峰Vspike，這是由一次繞組的漏電感中存儲的能量造成的。對于一個DC 600~1000V的系統(tǒng)而言，Vrefl常在100~150V左右，Vspike在200V左右，在最高輸入條件下開關(guān)管的最高耐壓最少需要達到1350V左右，為了保證系統(tǒng)安全運行，需要留有一定的電壓裕量，因此至少需要額定電壓在1500V及以上的開關(guān)器件，或采用雙管反激變換器，用兩只開關(guān)管代替單管，并在電路中采用鉗位二極管，把每個開關(guān)管上的峰值電壓應(yīng)力鉗位至輸入電壓，這樣就可以選擇相對應(yīng)力較低的器件。但同時器件的數(shù)量和成本也相應(yīng)增加，且需要額外的高邊側(cè)隔離驅(qū)動電路，使整體設(shè)計變得更為復(fù)雜。

圖3.反激式變換器的開關(guān)節(jié)點電壓

SiC MOSFET技術(shù)的一個重要價值是使得1200V以上有了性能優(yōu)秀的高速開關(guān)器件，英飛凌針對反激式輔助電源應(yīng)用，提供1700V 450mΩ/650mΩ/1000mΩ三種規(guī)格的CoolSiC? SiC MOSFET可以幫助客戶簡化設(shè)計，采用單管反激拓撲即可實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，多種規(guī)格以滿足不同功率段的應(yīng)用要求（詳細產(chǎn)品信息可點擊：新品 | 采用D2PAK-7L封裝的1700V CoolSiC? MOSFET，輔助電源的理想搭檔）。

作為一款輔助電源應(yīng)用的主推產(chǎn)品，它不但提升了電氣間隙和爬電距離，還可以通過控制器直接驅(qū)動，無需驅(qū)動電路，封裝兼具D2PAK-7L和TO-247-3HCC兩種，產(chǎn)品的詳細信息可參考往期文章：新品 | 可直接驅(qū)動的單端反激式輔助電源用 1700V CoolSiC? MOSFET。

圖4 .1700V CoolSiC? MOSFET的型號與對應(yīng)功率段推薦

感興趣的用戶還可去英飛凌官網(wǎng)申請“REF_62W_FLY_1700V_SiC”參考板，該參考板旨在支持客戶為三相系統(tǒng)設(shè)計輔助電源，工作電壓范圍在200VDC至1000VDC，具有三種電壓輸出：+15V、-15V和+24V，最大輸出功率高達62.5W。

對于第二級輔助電源:

輸入電壓為前級輸出的低壓穩(wěn)壓軌，輸出功率相對較低，當(dāng)對輸出電壓精度要求>1%時，可選擇無光耦合器的拓撲設(shè)計以降低復(fù)雜性并能提供可靠性保障，常見的開環(huán)隔離拓撲如下文所示。

LLC式拓撲

LLC諧振變換器作為一種在大功率應(yīng)用常見的串并聯(lián)諧振變換器，兼具串聯(lián)和并聯(lián)諧振變換器的優(yōu)點，可以利用變壓器漏感參與諧振以實現(xiàn)全程軟開關(guān)特性，EMI低，適用于對效率、功率密度要求較高的場合。與反激、推挽等非諧振式變換器相比，LLC諧振變換器對變壓器的設(shè)計較友好，對原副邊耦合度要求較低，可以使用高隔離電壓和低匝間電容兼具的變壓器，因此在小功率隔離電源中也能見到LLC變換器的身影。

下圖5是一個常見的半橋LLC拓撲的簡化示意圖，嚴謹?shù)恼f，應(yīng)該是非對稱半橋LLC，根據(jù)諧振電容位置的不同，半橋LLC拓撲還可以演化成分裂電容對稱半橋LLC（圖6），也即將諧振電容一分為二成兩個等量的電容串聯(lián)，使得兩個諧振支路處于對稱狀態(tài)。和非對稱半橋LLC拓撲相比，分裂電容對稱半橋LLC由兩個諧振電容串聯(lián)后并聯(lián)在輸入側(cè)，兩個諧振電容電壓之和為輸入電壓，故每個諧振電容上仍有Vin/2的直流偏置電壓，但流過諧振電容的電流為諧振腔電流的一半，紋波電流更小，諧振電容的選型有更多的選擇。

推挽式拓撲

下圖是一個半橋推挽式拓撲的簡化示意圖，所謂推挽，即開關(guān)管交替推動電流，利用中心抽頭變壓器來形成相位相反的交流電壓。當(dāng)其中一個開關(guān)管導(dǎo)通時，從源流經(jīng)變壓器中心抽頭的電流逐漸上升，副邊感應(yīng)電壓經(jīng)整流后為輸出負載供電；當(dāng)另外一個開關(guān)管導(dǎo)通時工作同理，但對應(yīng)另一半繞組上電壓相位相反。兩個開關(guān)管交替開通，且開關(guān)管均屬于低邊側(cè)，參考點同為電源地，在驅(qū)動控制上相對簡單，變壓器工作在雙向勵磁狀態(tài)，故而不另需要復(fù)位電路，電路設(shè)計也得到簡化。

值得注意是，當(dāng)S1導(dǎo)通時，N1繞組上承載的電壓為全部輸入電壓，這個電壓會同時耦合到N1’繞組上，因此S2在關(guān)斷期間承受的峰值電壓實為兩倍輸入電壓，所以推挽電路一般用在低壓輸入的中小功率場合。除此之外，如果不是對稱交替開關(guān)，也即兩個開關(guān)管導(dǎo)通時間不一致，在各自導(dǎo)通時間內(nèi)內(nèi)勵磁電流將不正負對稱，進而導(dǎo)致交替開關(guān)后磁芯不能完全復(fù)位，交變磁通量中包含直流偏磁分量，可能會導(dǎo)致磁路飽和。為了避免偏磁，在使用推挽式拓撲時盡量使用一對一致性較好的開關(guān)管，變壓器設(shè)計時還可留有適當(dāng)氣隙，增大飽和磁通量。

全橋式拓撲

相較于半橋推挽式拓撲，全橋式拓撲的開關(guān)器件數(shù)量增加了一倍，但原邊繞組數(shù)量和開關(guān)管的耐壓僅為推挽結(jié)構(gòu)的一半。兩路橋臂中同一橋臂上下兩開關(guān)管呈交替導(dǎo)通，兩橋臂間互為對角的兩個開關(guān)管則同時導(dǎo)通，開關(guān)管關(guān)斷時承受的電壓則為全部輸入電壓。變壓器繞組跨接在兩路橋臂中點，加載在繞組上的電壓經(jīng)交替開關(guān)后變成了交流電壓，實現(xiàn)雙向勵磁，對磁芯的利用率較高。

全橋拓撲和推挽式拓撲共同面臨的一個問題就是變壓器繞組在被交替開關(guān)驅(qū)動時，必須是對稱的驅(qū)動，否則也會有偏磁的問題。如若導(dǎo)通時間不對稱，則加載在繞組上伏秒積在相應(yīng)的導(dǎo)通時間內(nèi)就不相等，磁芯的磁化曲線也會越來越偏離原點。好在全橋式拓撲變壓器結(jié)構(gòu)簡單，沒有中心抽頭，在變壓器初級繞組上串聯(lián)一個隔直電容就能避免偏磁，簡單而有效。

基于2EP1XXR系列驅(qū)動IC，現(xiàn)在還提供多款評估板可供申領(lǐng)使用，無論是從事太陽能、電動汽車充電還是儲能系統(tǒng)等應(yīng)用，都可選擇這款評估版作為新穎驅(qū)動電源設(shè)計，升級驅(qū)動設(shè)計，減小PCB面積，降低成本，新品 | 頻率和占空比可調(diào)的驅(qū)動電源用全橋變壓器驅(qū)動器評估板。

結(jié)語

在設(shè)計一款隔離式電源時，硬件復(fù)雜性和噪聲耦合是避不開的問題，尤其是在在中低功率水平下，成本、尺寸和效率收益都會影響一個設(shè)計方案最終的選擇。在大多數(shù)使用反激、推挽或全橋拓撲的場合，都要考慮變壓器漏感帶來的EMI和器件開關(guān)應(yīng)力問題，而為了降低漏感又常將繞線緊密耦合甚至繞組交錯，這又使得初次級間的寄生電容增大，故而不得不在變壓器設(shè)計上投入更高成本。LLC拓撲可以把變壓器的漏感作為諧振的一部分，漏感能量不會浪費在初級對器件造成額外的開關(guān)應(yīng)力，對EMI友好，但是PFM控制復(fù)雜，需要昂貴的專用控制芯片。因此，無論是使用哪種拓撲，除了兼具性能和靈活性，綜合成本也是主要考慮因素。