合適的拓?fù)淇商岣吖I(yè)AC/DC電源可靠性

在我們的94.5%效率、500 W工業(yè)AC / DC參考設(shè)計(jì)中，前端功率因數(shù)校正(PFC)級(jí)是交錯(cuò)式過(guò)渡模式升壓拓?fù)?，盡管單級(jí)連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是也是一個(gè)可行選擇。拓?fù)溥x擇主要是出于器件壓力的考慮;交錯(cuò)式拓?fù)?，因兩?jí)并聯(lián)工作，將功率元件(升壓電感、開(kāi)關(guān)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)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?fù)涞暮?jiǎn)化圖。

圖1：交錯(cuò)式和單級(jí)升壓PFC

因?qū)☉?yīng)力顯著降低，過(guò)渡模式PFC在降低開(kāi)關(guān)應(yīng)力方面具有優(yōu)勢(shì)。當(dāng)輸入電壓低于輸出電壓的一半時(shí)，過(guò)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(huì)顯著降低。在所有條件下，MOSFET和整流器都有零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)。ZCS操作導(dǎo)致整流二極管中的反向恢復(fù)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?xún)?yōu)勢(shì)，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(gè)電源的可靠性。

考慮熱應(yīng)力時(shí)，交錯(cuò)的過(guò)渡模式升壓拓?fù)湓俅伪菴CM拓?fù)涓欣?。在交錯(cuò)過(guò)渡模式拓?fù)渲?，組件在較低溫度下運(yùn)行;與CCM拓?fù)湎啾?，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(duì)電源可靠性具有相當(dāng)大的影響，尤其是在沒(méi)有強(qiáng)制通風(fēng)設(shè)備的系統(tǒng)中。

此外，交錯(cuò)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(gè)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(duì)規(guī)格的降額，而且更顯著的是由于功耗降低導(dǎo)致的溫度降低。

對(duì)于DC/DC級(jí)，電感-電感-電容(LLC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是首選，因?yàn)樗哂薪档偷拈_(kāi)關(guān)應(yīng)力，盡管它確實(shí)會(huì)增加電流應(yīng)力。在略高于諧振頻率的滿(mǎn)載下工作可最大限度地減小電流應(yīng)力的增加，同時(shí)避免由于ZCS關(guān)斷而導(dǎo)致的輸出同步MOSFET體二極管反向恢復(fù)。

該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了接近95%的效率，而不會(huì)增加太多復(fù)雜性。PFC級(jí)效率在230 V時(shí)高于98%，在115 V時(shí)高于96.5%.LLC級(jí)的效率高于96.5%。拓?fù)浜徒M件選擇是影響此性能的因素。

另一個(gè)需要考慮的重點(diǎn)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(mǎn)載或接近滿(mǎn)載的情況下運(yùn)行。因此，在廣泛的操作區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的效率非常重要。這就是為PFC和LLC功率級(jí)選擇控制器變得至關(guān)重要之處。

本設(shè)計(jì)中使用的兩個(gè)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(shì)的控制技術(shù)，如圖2所示。此外，本設(shè)計(jì)中使用的UCC24612，同步整流器控制器和驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)實(shí)現(xiàn)近乎理想的二極管仿真來(lái)降低輸出整流器損耗，并間接降低初級(jí)側(cè)損耗。這些控制器設(shè)備對(duì)提高整體可靠性的貢獻(xiàn)并非無(wú)關(guān)緊要。

圖 2：PFC和LLC級(jí)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?fù)?。交錯(cuò)的過(guò)渡模式升壓拓?fù)浜蚅LC拓?fù)涫潜绕渌負(fù)涓玫倪x擇，因?yàn)榭蓽p少組件壓力。拓?fù)溥x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?yàn)闊釕?yīng)力與其直接相關(guān)。