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如何实现高功率密度的工业电源

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mika536
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LV6
高级工程师
  • 2011-7-25 10:02:59
工业电源模块必需满足一些特殊的要求,如低功耗(以减轻机箱冷却方面的负担)、高功率密度(以减小空间要求)、高可靠性和高耐用性,以及其它在普通电源中不常见的特性,如易于并联、遥控和某些过载保护功能等。同时,它对EMI和稳定性的要求也比其它应用更为严格。本文详细分析了一个400W电源的设计实例,阐释了初级端和次级端电源模块的运用,以及其它提高性能的方法。除了在电气方面的改进外,模块还采用统一的外形尺寸,便于实现精细紧凑的机械设计并减少安装和物流成本。事实上,两个模块可具有不同额定功率,从而大大缩短了上市时间。  功率因数校正级(PFC),加上总线或DC链路电容,对于许多无法单独优化的不同因素来说是十分关键的。现在,大部分电源都采用了有源PFC电路,亦即升压转换器,确保输入电流与输入电压同相,使输入端的正弦波失真最小化,从而减小传导EMI,实现宽输入范围(85VAC ~ 265VAC)。而且,这个升压转换器会根据输入电压调节自己的占空比和输入电流,并把总线电容的电压调节到350V ~ 400V。然而,如果升压转换器不是有源的(例如在启动状态),电流可能流经输入整流器,进入升压电感和二极管,再到空的总线电容,最终产生很大的浪涌电流。要避免这一问题,需要额外的限流电路,否则可能触发电网熔丝。在高可靠性或关键任务应用中,由于对保持时间和节电保护的要求更严格,因此总线电容必须增大,这使得浪涌电流变得更大。在某些情况下,需要一个NTC电阻,但在“热”启动(如停电)时,NTC仍然很热,不能提供保护。根据DIN-EN 61204标准,测试方法针对两种情况:70%的额定输入电压,20ms;以及40%的额定输入电压,100mS。第二种情况对没有有源PFC的电源而言可谓相当棘手。
  脉宽调制级(PWM)是主要的转换器级。其中DC电压被斩波为更高频率的方波,因此利用更小的变压器就可以转换到另一个电压级并提供隔离。并非所有的拓扑都采用占空比变化的方波,有些拓扑采用的是变频,还有的则是改变两个脉冲序列之间的相位。这一级主要确定转换器的效率和负载调节。转换器效率十分重要,首先它关系电源的运行成本;其次是必须通过机箱冷却来散除产生的热量;第三是热组件越大,就越昂贵,占用空间也越大。这三个因素与电源的使用寿命成本关系重大。
  图1 工业电源的各个不同级及每级的主要特性
  转换器拓扑的选择对效率和辐射EMI都至关重要,因为功率开关越倾向于硬开关,产生的dI/dt和dV/dt就很大,同时电流和电压就越高,这会导致开关频率谐波的大量产生。在各种拓扑中,谐振或准谐振拓扑都颇具优势但较难设计,尤其是谐振拓扑,很难在宽泛的负载范围上实现。下文中描述的LLC拓扑具有在宽负载范围内有限的开关频率变化以及软开关,很容易解决这一问题。
  PWM级也是所有必须保护功能的核心所在。在电流模式转换器的情况下,逐周期限流器可保护电源免受大部分输出问题的伤害,这些问题通常与热关断有关。
  同步整流级(SR)把变压器产生的交流电压转换回直流电压。由于电压很低,电流往往相当高,故整流器的传导损耗必须最小化。若采用硅PN结二极管可以获得0.7V的正向电压,则采用肖特基二极管可达到0.4V。要获得更低的电压级就需采用MOSFET,这时电压级由导通阻抗RDS(ON) 和输出电流决定,且比前两种情况要低得多。但因为MOSFET是有源器件,故需要一个适当的栅极驱动信号来完成,如果设计良好,这一级的功耗可大幅度减小,从而进一步提高效率。此外,利用先进的低电感封装技术,设计还可以非常紧凑耐用。
  连续传导模式(CCM)功率因数校正
  输入整流器(图2中没有EMI滤波器)产生的输入电压被馈入到PFC电感中,此时后者的次级线圈为PFC控制IC提供供电电压。电感前面的电阻/电容网络可对输入电压进行采样。电感之后是带栅极保护电路的电源开关,PFC整流器为StealthTM 二极管。接下来使用一个电阻分压器来感测和调节PFC级的输出电压,反馈回路至此结束。总线电容也如图2所示,而二极管D1是一个额外的保护器件。
  图2 PFC级的原理示意图
  这里采用的控制器是FAN4810,该器件包含了先进的平均电流“升压”型功率因数校正实现电路,模块电源因此能够完全满足IEC1000-3-2规范的要求。它还包含了TriFault Detect功能,有利于确保不会因PFC中单个组件的故障造成不安全事件。1A的栅极驱动器又极大降低了对外部驱动器电路的需求。此外,它的功率要求很低,既提高了效率也降低了组件成本。该PFC还带有峰值限流、输入电压中断保护功能,还有一个过压比较器,可在发生负载突然减小事件时关断PFC部分。时钟输出信号可用来同步下游的PWM级,以减少系统噪声。
  图3中,绿色曲线的较厚区域代表电流纹波,PFC IC在峰值输入电压下消耗电流较多,过零时没有电流。粉色曲线代表整流器输入电压,蓝色曲线为输出电压。
  图3 CCM PFC的行为
  LLC拓扑
  提高电源效率的方法之一是采用零电压开关拓扑。在这种拓扑中,电路中的电源开关在电压极低时导通。对于钳位感应开关MOSFET,导通损耗PON LOSS可由下式粗略求得:
  IL为流经MOSFET的负载电流,VDS(SW)为MOSFET导通前的漏源电压,tON为导通时间,而fSW 则为开关频率。
  在硬开关拓扑中,VDS(SW)是总线电压,对带有PFC前端级的应用来说一般约为400V。对于零电压开关,该电压被降至MOSFET二极管的正向电压降,在1V左右,从而极大地减小了导通开关损耗。
  图4所示为LLC谐振转换器的模块示意图。其核心组件是谐振网络,在输入端电压波形和流入输入端的电流之间产生相位滞后,加载在输入端的电压波形是方波,利用半桥或全桥电路很容易就可以从PFC输出电压中产生。
  图4 LLC谐振转换器模块示意图和零电压开关波形
  如果忽略桥式电路中死区时间效应以及更高阶谐波的出现,那么流入谐振网络的电流可近似表示为正弦波。由于流入谐振电路的电流滞后于电压基波,当MOSFET处于导通状态时,电流从两个方向流入,如图4所示。MOSFET在电流流经体二极管时导通,导致“零”电压开关。这种方法带来的一个额外好处是导通时产生的EMI较低,这是因为高dv/dt和di/dt转换时间要短得多,而且通常没有标准硬开关应用中不可避免的反向恢复效应。
  由于谐振电路的输出是周期性的,因此需要对之进行整流。这可以采用如图4所示的全波整流器或一个带中心抽头(centre-tap)的整流器来完成。
  最后,AC-DC电源模块中的谐振网络基本上都会采用一个变压器。该变压器执行两项任务:其一是提供初级端和次级端之间必需的安全隔离;其二是通过它的匝数比控制电源的总体电压转换比率。
  为了避免Q1和Q2同时导通的风险,需要一定的死区时间。以Q1的关断波形为例。流经开关的电流很大,接近峰值电流。关断期间的电压摆幅为满总线电压,因此关断步骤是无损耗的。
  要确保Q2的零电压开关,Q1的漏源电容完全充电十分重要,这意味着充电时间不应该超过死区时间。若总线电压为VBUS,开关时电流为ISW,有效漏源电容为CDSeff,则电容的充电时间tSW可由下式计算出:
  VBUS由设计条件事先确定。如果CDSeff为零,Q2就会如预期地实现零电压开关。如果CDSeff非常大,Q2为硬开关工作。轻载下ISW很小,当负载足够小时,最终也会发生Q2硬开关。
  有时可为每个MOSFET并联一个电容。如果其容量选择适当,就可以降低关断损耗,同时又不影响较轻负载下的零电压开关性能。
  LLC谐振转换器是让谐振转换器与一个电感串联。这样一来,谐振电路中就有两个电感和一个电容,故名为L-L-C。图5显示了一个实例电路的增益特性。
  图5 LLC谐振转换器增益曲<
daxia4540827
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LV10
总工程师
  • 2012-8-23 10:55:53
  • 倒数2
 
好长!
snakelu
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LV2
本网技师
最新回复
  • 2015-5-25 11:09:21
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楼主可以贴出图和公式出来吗
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