高低压 DC/DC 转换器是一种可逆电子设备，可将车辆高压（400 V 或 800 V）电池的直流电压转换为较低的直流电压（12 V）。这些转换器可以是单向的或双向的。典型功率水平为 1 kW 至 3 kW，系统需要转换器高压电网（初级侧）额定电压为 650 V 至 1,200 V 的组件，12 V 电网（次级侧）至少需要 60 V 的组件。
　　对更大功率密度和更小动力系统的需求导致功率组件的开关频率提高到数百千赫兹，以帮助缩小磁性组件的尺寸。高低压 DC/DC 转换器的小型化暴露了许多在较低开关频率下并不那么重要的问题，例如电磁兼容性 (EMC)、散热和金属氧化物半导体场效应晶体管的有源钳位（MOSFET）。在本电源技巧中，我将讨论高开关频率下同步整流器 MOSFET 的钳位电路设计。
　　传统有源钳位

　　图 1所示的移相全桥 (PSFB)是高低压 DC/DC 应用中常用的拓扑，因为它可以实现开关软切换，从而提高转换器效率。但您仍然可以预期同步整流器上会出现高压应力，因为其寄生电容与变压器漏感谐振。整流器的电压应力可能高达公式 1：

    V ds_max = 2V IN x (N s /N p ) (1)

　　其中 Np 和 Ns 分别是变压器的初级和次级绕组。

　　考虑到高低压 DC/DC 转换器的功率水平以及电阻电容二极管缓冲器 [1] 的功率损耗，设计人员通常对同步整流 MOSFET 使用有源钳位电路。图 1 显示了典型电路。

　　图 1 PSFB 同步整流 MOSFET 的传统有源钳位电路。资料来源：德州仪器
　　在此原理图中，您可以看到 P 沟道金属氧化物半导体 (PMOS) Q9 和缓冲电容器，它们是有源钳位电路的主要部件。缓冲电容的一端连接到输出扼流圈，PMOS 的源极接地。在传统的PSFB有源钳位电路中，同步整流MOSFET Q5和Q7的方案相同； Q6和Q8也是如此。每次同步整流MOSFET关断后，PMOS都会在适当的延迟时间后导通。

　　图 2显示了 PSFB 和有源钳位的控制方案。您可以轻松发现 PMOS 的开关频率将是 f sw的两倍。

　　图 2有源钳位 PMOS Q9 的控制方案，其中 PMOS 的开关频率是 f sw 的两倍。资料来源：德州仪器
　　评估有源钳位损耗
　　您可以使用公式 2、公式 3、公式 4、公式 5 和公式 6 来评估有源钳位 PMOS 的损耗。除了 P on_state之外，所有其他损失都与 f sw成正比。当 PMOS 的开关频率加倍时，损耗也会加倍，因此您需要解决 PMOS 的散热问题。当提高 f sw以满足小型化的需求时，确切的热问题会变得更加严重。
　　P on_state = I rms 2 x R dson                                (2)
　　P开启= 0.5 x V ds x I on xt on xf sw        (3)
　　P关闭= 0.5 x V ds x I关闭xt关闭xf sw        (4)
　　P驱动= V驱动x Q g xf sw                                    (5)
　　P二极管= I缓冲器x V sd xt d xf sw                  (6)
　　提议的有源钳位

　　那么，你能做什么呢？选择品质因数（FOM）更好的PMOS还是选择导热系数更高的导热硅脂？两者都可以，但请记住，有源钳位引起的热问题仍然集中在一个部分，这使得问题难以解决。我们可以将热量分成几个部分吗？一种可行的方法是使用两个有源钳位电路，并将缓冲电容器的端子连接到次级桥臂的开关节点，如图3所示。那么只能在Q5、Q7关断后才开启Q11，只有在Q6、Q8关断后才开启Q10。图 4显示了 PSFB 的控制方案和建议的有源钳位。

　　图 3建议的 PSFB 同步整流器 MOSFET 有源钳位电路。资料来源：德州仪器

　　图 4 PSFB 的控制方案和建议的有源钳位。资料来源：德州仪器
　　当Q5和Q7关断时，Q6和Q8仍然导通。因此，您可以找到 Q5 和 Q7 的钳位环路，如图 3 中的绿色箭头所示。Q10 和 Q11 的开关频率均为 f sw，而不是 f sw的两倍。
　　因此，根据公式 2、公式 3、公式 4、公式 5 和公式 6，每个 PMOS 的 P on_state将是原始值的四分之一，Pturn_on 、 Pturn_off 、 Pdrive和Pdiode将是原始值的一半。显然，所提出的方法将钳位电路的损耗分为两部分甚至更少，这使得更容易处理热问题。
　　让我们回到夹环。 Q5 的环路比 Q7 的环路大；与Q6和Q8类似。您需要注意同步整流器的布局，以获得 Q5 和 Q6 的钳位环路。
　　建议的有源钳位性能

　　图 5和图 6显示了来自德州仪器 (TI) 的采用 GaN HEMT 的高压至低压 DC/DC 转换器参考设计的相关测试，该转换器使用建议的工作在 200kHz 开关频率的有源钳位电路。图 5 显示了整流器的电压应力。

　　图 5整流器的电压应力 其中 CH1 是整流器的V gs ，CH2 是整流器的 V ds，CH3 是变压器初级绕组的电压，CH4 是变压器初级绕组的电流。资料来源：德州仪器

　　CH1是整流器的V gs ，CH2是整流器的V ds，CH3是变压器初级绕组的电压，CH4是变压器初级绕组的电流。在 400 V IN、 13.5 V OUT、 250-AI OUT条件下，整流器的电压应力低于 45 V。有源钳位电路在 400 V IN、13.5 V OUT、180-AI OUT [2]下的温度为 46.6°C ，如图 6 所示。因此，所提出的控制方案为钳位 MOSFET 实现了相当好的热性能。

　　图 6有源钳位电路的热性能，其中在 400 V IN、13.5 V OUT、180-AI OUT条件下，有源钳位电路的温度为 46.6°C 。资料来源：德州仪器
　　500kHz 有源钳位，无热问题
　　当开关频率从200 kHz提升到500 kHz时，变压器的体积将缩小约45%[2]，这将有助于提升高压至低压DC/DC转换器的功率密度。采用所提出的方法，BOM 成本会增加一点，但设计人员可以在 500kHz 开关频率下运行有源钳位，而不会出现热问题，从而提高性能。考虑到 PMOS 的脉冲漏极电流远小于 NMOS，如有必要，设计人员还可以在具有隔离驱动器和偏置电源的有源钳位中使用 NMOS。