通過選擇拓撲提高工業(yè)AC/DC電源的可靠性

作者：德州儀器 Salil Chellappan

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提高電源可靠性的關(guān)鍵在于降低功率元件的熱、電壓和電流應(yīng)力，這主要是輸入電壓和所需功率的函數(shù)。不過，您可選擇有助于減輕這些應(yīng)力的拓撲。

同樣，雖然熱應(yīng)力是額定功率的函數(shù)，但電源效率也起著重要作用。因此，在追求可靠性的過程中，探索提供高效率的拓撲結(jié)構(gòu)和電路元件極其重要。

在我們的94.5%效率、500 W工業(yè)AC / DC參考設(shè)計中，前端功率因數(shù)校正(PFC)級是交錯式過渡模式升壓拓撲，盡管單級連續(xù)導通模式(CCM)升壓拓撲結(jié)構(gòu)是也是一個可行選擇。拓撲選擇主要是出于器件壓力的考慮;交錯式拓撲，因兩級并聯(lián)工作，將功率元件(升壓電感、開關(guān)金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管[MOSFET]和整流二極管)中的電流應(yīng)力降低了兩倍。圖1所示為兩種拓撲的簡化圖。

圖1：交錯式和單級升壓PFC

因?qū)☉?yīng)力顯著降低，過渡模式PFC在降低開關(guān)應(yīng)力方面具有優(yōu)勢。當輸入電壓低于輸出電壓的一半時，過濾模式下的電壓切換為零;即使輸入電壓較高，電壓切換水平也會顯著降低。在所有條件下，MOSFET和整流器都有零電流開關(guān)(ZCS)。ZCS操作導致整流二極管中的反向恢復幾乎消除，這也有助于減小應(yīng)力并降低電磁干擾(EMI)。雖然減少EMI不能提供直接的可靠性優(yōu)勢，但EMI濾波器元件數(shù)量的減少以及敏感電路段噪聲拾取的可能性降低可間接地有助于提高整個電源的可靠性。

考慮熱應(yīng)力時，交錯的過渡模式升壓拓撲再次比CCM拓撲更有利。在交錯過渡模式拓撲中，組件在較低溫度下運行;與CCM拓撲相比，更多組件共享幾乎相同的功率損耗。在溫度降低條件下操作對電源可靠性具有相當大的影響，尤其是在沒有強制通風設(shè)備的系統(tǒng)中。

此外，交錯操作大大降低了輸入和輸出電容器中的紋波電流。這是一個重要的考慮因素，特別是鋁電解型輸出電容器，它是決定整體電源可靠性的最薄弱環(huán)節(jié)之一。在PFC應(yīng)用中，紋波電流是決定輸出電容器壽命(由于尺寸、成本和可用性原因而電壓額定值被限制為450V/500 V)的最重要因素。應(yīng)該看到紋波電流的降低不僅是對規(guī)格的降額，而且更顯著的是由于功耗降低導致的溫度降低。

對于DC/DC級，電感-電感-電容(LLC)拓撲結(jié)構(gòu)是首選，因為它具有降低的開關(guān)應(yīng)力，盡管它確實會增加電流應(yīng)力。在略高于諧振頻率的滿載下工作可最大限度地減小電流應(yīng)力的增加，同時避免由于ZCS關(guān)斷而導致的輸出同步MOSFET體二極管反向恢復。

該設(shè)計實現(xiàn)了接近95%的效率，而不會增加太多復雜性。PFC級效率在230 V時高于98%，在115 V時高于96.5%.LLC級的效率高于96.5%。拓撲和組件選擇是影響此性能的因素。

另一個需要考慮的重點是電路在其工作范圍內(nèi)的效率：在其使用壽命期間，它可能并不總是在滿載或接近滿載的情況下運行。因此，在廣泛的操作區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)良好的效率非常重要。這就是為PFC和LLC功率級選擇控制器變得至關(guān)重要之處。

本設(shè)計中使用的兩個控制器(用于PFC的UCC28064A和用于LLC的UCC256301) 具有在寬工作范圍內(nèi)提供效率優(yōu)勢的控制技術(shù)，如圖2所示。此外，本設(shè)計中使用的UCC24612，同步整流器控制器和驅(qū)動器，通過實現(xiàn)近乎理想的二極管仿真來降低輸出整流器損耗，并間接降低初級側(cè)損耗。這些控制器設(shè)備對提高整體可靠性的貢獻并非無關(guān)緊要。

圖 2：PFC和LLC級效率

在工業(yè)電源應(yīng)用中，您必須選擇可以減少組件壓力的拓撲。交錯的過渡模式升壓拓撲和LLC拓撲是比其他拓撲更好的選擇，因為可減少組件壓力。拓撲選擇應(yīng)考慮將功率損耗分配給更多組件，且提高效率非常重要，因為熱應(yīng)力與其直接相關(guān)。