高功率密度工業(yè)電源的實現(xiàn)
工業(yè)電源必需滿足一些特殊的要求，如低功耗(以減輕機箱冷卻方面的負(fù)擔(dān))、高功率密度(以減小空間要求)、高可靠性和高耐用性，以及其它在普通電源中不常見的特性，如易于并聯(lián)、遙控和某些過載保護功能等。同時，它對EMI和穩(wěn)定性的要求也比其它應(yīng)用更為嚴(yán)格。本文詳細(xì)分析了一個400W電源的設(shè)計實例，闡釋了初級端和次級端電源模塊的運用，以及其它提高性能的方法。除了在電氣方面的改進外，模塊還采用統(tǒng)一的外形尺寸，便于實現(xiàn)精細(xì)緊湊的機械設(shè)計并減少安裝和物流成本。事實上，兩個模塊可具有不同額定功率，從而大大縮短了上市時間。
功率因數(shù)校正級(PFC),加上總線或DC鏈路電容，對于許多無法單獨優(yōu)化的不同因素來說是十分關(guān)鍵的?，F(xiàn)在，大部分電源都采用了有源PFC電路，亦即升壓轉(zhuǎn)換器，確保輸入電流與輸入電壓同相，使輸入端的正弦波失真最小化，從而減小傳導(dǎo)EMI，實現(xiàn)寬輸入范圍(85VAC ~ 265VAC)。而且，這個升壓轉(zhuǎn)換器會根據(jù)輸入電壓調(diào)節(jié)自己的占空比和輸入電流，并把總線電容的電壓調(diào)節(jié)到350V ~ 400V。然而，如果升壓轉(zhuǎn)換器不是有源的(例如在啟動狀態(tài))，電流可能流經(jīng)輸入整流器，進入升壓電感和二極管，再到空的總線電容，最終產(chǎn)生很大的浪涌電流。要避免這一問題，需要額外的限流電路，否則可能觸發(fā)電網(wǎng)熔絲。在高可靠性或關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中，由于對保持時間和節(jié)電保護的要求更嚴(yán)格，因此總線電容必須增大，這使得浪涌電流變得更大。在某些情況下，需要一個NTC電阻，但在“熱”啟動(如停電)時，NTC仍然很熱，不能提供保護。根據(jù)DIN-EN 61204標(biāo)準(zhǔn)，測試方法針對兩種情況：70%的額定輸入電壓，20ms;以及40%的額定輸入電壓，100mS。第二種情況對沒有有源PFC的電源而言可謂相當(dāng)棘手。
脈寬調(diào)制級(PWM)是主要的轉(zhuǎn)換器級。其中DC電壓被斬波為更高頻率的方波，因此利用更小的變壓器就可以轉(zhuǎn)換到另一個電壓級并提供隔離。并非所有的拓?fù)?/strong>都采用占空比變化的方波，有些拓?fù)洳捎玫氖亲冾l，還有的則是改變兩個脈沖序列之間的相位。這一級主要確定轉(zhuǎn)換器的效率和負(fù)載調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)換器效率十分重要，首先它關(guān)系電源的運行成本;其次是必須通過機箱冷卻來散除產(chǎn)生的熱量;第三是熱組件越大，就越昂貴，占用空間也越大。這三個因素與電源的使用壽命成本關(guān)系重大。工業(yè)電源的各個不同級及每級的主要特性
轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞倪x擇對效率和輻射EMI都至關(guān)重要，因為功率開關(guān)越傾向于硬開關(guān)，產(chǎn)生的dI/dt和dV/dt就很大，同時電流和電壓就越高，這會導(dǎo)致開關(guān)頻率諧波的大量產(chǎn)生。在各種拓?fù)渲校C振或準(zhǔn)諧振拓?fù)涠碱H具優(yōu)勢但較難設(shè)計，尤其是諧振拓?fù)?，很難在寬泛的負(fù)載范圍上實現(xiàn)。下文中描述的LLC拓?fù)?/strong>具有在寬負(fù)載范圍內(nèi)有限的開關(guān)頻率變化以及軟開關(guān)，很容易解決這一問題。
PWM級也是所有必須保護功能的核心所在。在電流模式轉(zhuǎn)換器的情況下，逐周期限流器可保護電源免受大部分輸出問題的傷害，這些問題通常與熱關(guān)斷有關(guān)。
同步整流級(SR)把變壓器產(chǎn)生的交流電壓轉(zhuǎn)換回直流電壓。由于電壓很低，電流往往相當(dāng)高，故整流器的傳導(dǎo)損耗必須最小化。若采用硅PN結(jié)二極管可以獲得0.7V的正向電壓，則采用肖特基二極管可達到0.4V。要獲得更低的電壓級就需采用MOSFET，這時電壓級由導(dǎo)通阻抗RDS(ON) 和輸出電流決定，且比前兩種情況要低得多。但因為MOSFET是有源器件，故需要一個適當(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動信號來完成，如果設(shè)計良好，這一級的功耗可大幅度減小，從而進一步提高效率。此外，利用先進的低電感封裝技術(shù)，設(shè)計還可以非常緊湊耐用。
輸入整流器(圖2中沒有EMI濾波器)產(chǎn)生的輸入電壓被饋入到PFC電感中，此時后者的次級線圈為PFC控制IC提供供電電壓。電感前面的電阻/電容網(wǎng)絡(luò)可對輸入電壓進行采樣。電感之后是帶柵極保護電路的電源開關(guān)，PFC整流器為StealthTM 二極管。接下來使用一個電阻分壓器來感測和調(diào)節(jié)PFC級的輸出電壓，反饋回路至此結(jié)束?？偩€電容也如圖2所示，而二極管D1是一個額外的保護器件。
這里采用的控制器是FAN4810，該器件包含了先進的平均電流“升壓”型功率因數(shù)校正實現(xiàn)電路，電源因此能夠完全滿足 IEC1000-3-2規(guī)范的要求。它還包含了TriFault Detect功能，有利于確保不會因PFC中單個組件的故障造成不安全事件。1A的柵極驅(qū)動器又極大降低了對外部驅(qū)動器電路的需求。此外，它的功率要求很低，既提高了效率也降低了組件成本。該PFC還帶有峰值限流、輸入電壓中斷保護功能，還有一個過壓比較器，可在發(fā)生負(fù)載突然減小事件時關(guān)斷PFC部分。時鐘輸出信號可用來同步下游的PWM級，以減少系統(tǒng)噪聲。
如果忽略橋式電路中死區(qū)時間效應(yīng)以及更高階諧波的出現(xiàn)，那么流入諧振網(wǎng)絡(luò)的電流可近似表示為正弦波。由于流入諧振電路的電流滯后于電壓基波，當(dāng) MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)時，電流從兩個方向流入，如圖4所示。MOSFET在電流流經(jīng)體二極管時導(dǎo)通，導(dǎo)致“零”電壓開關(guān)。這種方法帶來的一個額外好處是導(dǎo)通時產(chǎn)生的EMI較低，這是因為高dv/dt和di/dt轉(zhuǎn)換時間要短得多，而且通常沒有標(biāo)準(zhǔn)硬開關(guān)應(yīng)用中不可避免的反向恢復(fù)效應(yīng)。
由于諧振電路的輸出是周期性的，因此需要對之進行整流。這可以采用如圖4所示的全波整流器或一個帶中心抽頭(centre-tap)的整流器來完成。
最后，AC-DC電源中的諧振網(wǎng)絡(luò)基本上都會采用一個變壓器。該變壓器執(zhí)行兩項任務(wù)：其一是提供初級端和次級端之間必需的安全隔離;其二是通過它的匝數(shù)比控制電源的總體電壓轉(zhuǎn)換比率。
為了避免Q1和Q2同時導(dǎo)通的風(fēng)險，需要一定的死區(qū)時間。以Q1的關(guān)斷波形為例。流經(jīng)開關(guān)的電流很大，接近峰值電流。關(guān)斷期間的電壓擺幅為滿總線電壓，因此關(guān)斷步驟是無損耗的。
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