使用準(zhǔn)諧振和諧振轉(zhuǎn)換器提高電源效率，第1部分

隨著天然氣價格飆升、歐洲大陸電價暴漲，近期刷新歷史新高的能源價格正在持續(xù)沖擊歐洲經(jīng)濟。歐洲工業(yè)企業(yè)紛紛就能源成本發(fā)出警告，科索沃200萬人口已經(jīng)輪流“斷電”，企業(yè)、民眾苦不堪言……更糟糕的是，交易員甚至在押注供不應(yīng)求的緊張局面將持續(xù)到2023年初。即使明年到了炎熱的夏季，能源價格也會非常昂貴，明年夏季交付的天然氣價格已經(jīng)超過了每兆瓦時100歐元，創(chuàng)下歷史新高。

更高的能源成本、環(huán)境問題和可持續(xù)性能源問題正在推動歐盟 (EU) 和其他各種監(jiān)管機構(gòu)專注于減少電子設(shè)備浪費的能源。交流輸入電源是這種浪費能源的主要來源，無論是在重負載下還是在待機狀態(tài)下。

直到最近，電源的效率標(biāo)準(zhǔn)還好于 80%。新舉措正在推動效率達到 87% 及以上。此外，傳統(tǒng)的滿載效率測量已不再可接受?，F(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)是在額定負載的 25、50、75 和 100 倍時測量效率并確定平均值。同樣，最大允許待機功率水平也在收緊。歐盟建議所有設(shè)備的待機功率水平低于 500 mW，電視的待機功率水平低于 200 mW。

在特殊高效電源設(shè)計領(lǐng)域之外，用于 1 至 500 瓦應(yīng)用的典型交流輸入電源使用“硬開關(guān)”反激式和雙開關(guān)正激拓撲。但它們正被準(zhǔn)諧振反激式、LLC 諧振轉(zhuǎn)換器和不對稱半橋拓撲所取代。在本文中，我們將討論準(zhǔn)諧振和諧振操作之間的區(qū)別，以及它們的最佳應(yīng)用。

基本原理

準(zhǔn)諧振和諧振拓撲都通過降低電路中的開啟開關(guān)損耗來發(fā)揮作用。圖 1 顯示了在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 下工作的反激、準(zhǔn)諧振反激和 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的開啟開關(guān)波形差異。

CCM 反激式轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗最高。對于寬范圍輸入電壓設(shè)計，V DS 約為 500 至 600 伏，即輸入電壓V DC 和反射輸出電壓V RO 之和。當(dāng)轉(zhuǎn)換器在非連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM) 下運行時，開關(guān)損耗的第一項下降到零，因為漏極電流下降到零。我們可以通過打開電壓波形中的第一個(或以后)最小值來進一步降低準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器的損耗。

如果準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器的匝數(shù)比為 20，輸出電壓為 5 伏，則V RO 將為 100 伏。因此，對于 375 伏的總線電壓，開關(guān)將在 275 伏時打開。如果有效輸出電容C OSSeff 為 73 pF，開關(guān)頻率f SW 為 66 kHz，則功率損耗為 0.18 瓦。對于標(biāo)準(zhǔn) CCM 反激式轉(zhuǎn)換器，開關(guān)不同步，并且漏極電壓振鈴。在最壞的情況下，漏極電壓高于V DC 。功率損耗為由此產(chǎn)生的損耗為 0.54 瓦。因此，對于非連續(xù)模式反激式轉(zhuǎn)換器，功率損耗在 0.18 到 0.54 瓦之間波動，具體取決于時序。影響時序的因素是輸入電壓和輸出電流，有利的因素會帶來更高的效率。這通常被視為不連續(xù)模式反激轉(zhuǎn)換器的滿載效率曲線的異常變化。這里輸入電壓隨著恒定的輸出電流(和電壓)而變化。當(dāng)我們沿著切換點移動時，效率曲線將顯示波動。不同批次初級電感的變化也會表現(xiàn)出變化，因此效率也會不同。

諧振轉(zhuǎn)換

器 另一方面，諧振轉(zhuǎn)換器使用不同的技術(shù)來降低開關(guān)損耗?；氐介_啟損耗方程，如果V DS 設(shè)置為零，則根本沒有損耗。這一原理被稱為零電壓開關(guān) (ZVS)。它用于諧振轉(zhuǎn)換器，特別是 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器。

零電壓開關(guān)是通過迫使流過開關(guān)的電流反向來實現(xiàn)的。當(dāng)開關(guān)電流反向時，體(或外部反并聯(lián))二極管將電壓鉗位到一個低值(例如，1 伏)。這遠低于前面提到的典型反激式轉(zhuǎn)換器的 400 伏。

實現(xiàn)這一目標(biāo)需要一個諧振電路。兩個 MOSFET 產(chǎn)生方波并將其應(yīng)用于諧振電路。如果我們選擇高于諧振的工作點，則流入諧振電路的電流將近似為正弦波，因為高階分量通常被很好地衰減。正弦電流波形滯后于電壓波形。因此當(dāng)電壓波形達到其零交叉點時，電流仍然為負，允許零電壓開關(guān)。