一種高效率ACDC變換器的實(shí)現(xiàn)方案培訓(xùn)講學(xué)

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。一種高效率ACDC變換器的實(shí)現(xiàn)方案-提要：本文提出一種高效率AC-DC變換器的實(shí)現(xiàn)思路，對(duì)實(shí)現(xiàn)高效率的各環(huán)節(jié)的效率分析，提出實(shí)現(xiàn)的方案，最后，給出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。輸入電壓為85V輸出24V的電源效率約為93%。在一般開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案中，開(kāi)關(guān)損耗和器件的導(dǎo)通損耗（特別是整流器件的導(dǎo)通損耗）是困擾開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)者的一大難題。當(dāng)效率達(dá)到一定程度后，再進(jìn)一步提高效率深感困難，甚至無(wú)從下手。盡管采用了有源箝位、移相零電壓開(kāi)關(guān)、同步整流器等先進(jìn)的，使電源效率得到一些提高，但是所付出的代價(jià)也是很大的。能在用常規(guī)的電路拓?fù)浠?/p>

2、礎(chǔ)上加以改進(jìn)，得到所希望的高效率，是當(dāng)今電源設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)和最經(jīng)濟(jì)的方案。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)通常的設(shè)計(jì)手段很難達(dá)到的，欲實(shí)現(xiàn)并超過(guò)這一目標(biāo)必須明確各部分的損耗，并設(shè)法減小甚至消除其中的某些損耗。1損耗及效率分析開(kāi)關(guān)電源的損耗基本上有以下幾個(gè)構(gòu)成：輸入電路損耗、主開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗、控制電路損耗、變壓器損耗、輸出整流器損耗。1.1輸入電路損耗主要有電源濾波器的寄生電阻上的損耗，通常在輸入功率的百分之零點(diǎn)幾，實(shí)際上幾乎沒(méi)有溫升，故可以忽略不計(jì)；限制浪涌電流的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻上的損耗，通常不到輸入功率的1；輸入整流器損耗，約輸入功率的1。整個(gè)輸入電路損耗約輸入功率的1-1.5。以上損耗一般無(wú)法進(jìn)一步

3、減小。1.2主開(kāi)關(guān)上的損耗主開(kāi)關(guān)上的損耗可分為導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，交流輸入電壓范圍在85V264V時(shí)，以85V的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通損耗最高，在264V時(shí)開(kāi)關(guān)損耗最高。在各種電路拓?fù)渲蟹醇な阶儞Q器的開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗最高，以盡可能不采用為好。單端正激（包括雙管箝位電路拓?fù)洌┮蚱渥畲笳伎毡炔粫?huì)大于0.7也盡可能不采用為好。惟有橋式（全橋與半橋）和推挽電路拓?fù)溆锌赡軐?shí)現(xiàn)高效率功率變換。但是，欲明顯減小甚至消除開(kāi)關(guān)損耗并且不附加緩沖（諧振）電路，同時(shí)采用簡(jiǎn)單、常規(guī)的PWM控制方式是實(shí)現(xiàn)高效功率變換的目標(biāo)。電源界的一個(gè)不成文的觀點(diǎn)：不穩(wěn)壓的比穩(wěn)壓的效率高、不隔離的比隔離的效率高、窄范圍輸入電壓的比寬范圍輸入的效

4、率高。基于這種觀點(diǎn)，不調(diào)節(jié)的隔離變換器的開(kāi)關(guān)管可以工作在占空比幾乎為50，變換器在輸出相同功率時(shí)的電流最小，而且自然地形成了零電壓開(kāi)關(guān)，因此效率最高，輸出電壓的穩(wěn)定可以由必不可少的功率因數(shù)校正級(jí)完成，PFC+不調(diào)節(jié)的隔離變換器（DC變壓器）。1.3變壓器電感的損耗這一損耗約占輸人功率的12。1.4輸出整流器損耗通常輸出整流器的導(dǎo)通損耗(特別是低電壓輸出時(shí))占整機(jī)損耗的很大比重。在12V以上的輸出電壓需要選用耐壓200V以上的超快速二極管作為輸出整流器，其導(dǎo)通電壓約1.21.4V，在輸出分別為12、24、48V時(shí)輸出整流器的效率（不考慮開(kāi)關(guān)損耗）分別為（以導(dǎo)通電壓l.3V計(jì)）：不會(huì)高于90.26

5、、94.8、97.6。以上綜合起來(lái)，采用常規(guī)技術(shù)盡管可以使電源效率達(dá)到或超過(guò)90，而且，即使在較高的輸出電壓時(shí)，整流器的導(dǎo)通損耗仍然是整機(jī)損耗中幾乎是最大的。如有可能，采用肖特基二極管（導(dǎo)通壓降分別為：0.3V、0.4V、0.7V）則這一級(jí)的效率分別為：96.1、98.3、98.5，則這部分損耗可以降低50以上。1.5體積分析由于開(kāi)關(guān)管和輸出整流器需要散熱器，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，開(kāi)關(guān)管和整流器上的損耗減小將減小甚至可以不用散熱器，既簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有減小體積。2高效實(shí)現(xiàn)方案的思路與分析提高效率可以采用軟開(kāi)關(guān)、同步整流器等技術(shù)（電率將復(fù)雜化、成本將提高），即使如此，開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通損耗很難進(jìn)一步減小，常

6、規(guī)技術(shù)的功率變換很難做得非常高，整機(jī)效率達(dá)到90以上也不是容易的事。而且將來(lái)的開(kāi)關(guān)電源必須符合有關(guān)功率因數(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因此一般需要加PFC。因此作者提出一種基于常規(guī)技術(shù)使效率超過(guò)93的開(kāi)關(guān)電源的解決方案。并完成樣機(jī)及測(cè)試。2.1解決方案的思路在效率方面，非穩(wěn)壓高于穩(wěn)壓、非隔離型高于隔離型、窄電壓范同高于寬電壓范圍，因此高效解決方案可以考慮如下方案：PFC+非穩(wěn)壓半橋變換器+肖特基整流二極管。原理框圖如圖1。這是采用最常規(guī)的技術(shù)同時(shí)獲得到最高的效率的實(shí)現(xiàn)方案。2.2臨界電流型PFC考慮電磁干擾及二極管的反向恢復(fù)造成的損耗等因素，小功率PFC宜采用臨界電流型控制方式，本級(jí)可以采用HYPERLINK

7、/MC33368-p.htmoMC33368貨源和PDF資料t_blankMC33368或HYPERLINK/KA7524-p.htmoKA7524貨源和PDF資料t_blankKA7524或其它適用于小功率輸出的PFC控制IC。PFC除設(shè)置輸出反饋以穩(wěn)定輸出電壓外，設(shè)置PFC輸出電壓反饋防止輸出反饋開(kāi)路。正常工作時(shí)，僅輸出反饋起作用，通過(guò)調(diào)節(jié)PFC輸出電壓穩(wěn)定輸出電壓。當(dāng)PFC的輸出電壓為400V時(shí)，輸出紋波電壓分別為1、3所需的濾波電容器約為：1.2F/W和0.4F/W，在通常的濾波電容的選擇容量范圍內(nèi)。因此，經(jīng)過(guò)PFC的預(yù)穩(wěn)定的作用，其輸出電壓的穩(wěn)定程度基本符合應(yīng)用要求，后面的可以僅完成

8、隔離作用即可。2.3非穩(wěn)壓半橋變換器的零電壓開(kāi)關(guān)由于PFC級(jí)具備穩(wěn)壓功能，故隔離級(jí)采用非穩(wěn)壓半橋變換器，以盡可能地提高整機(jī)效率，主回路如圖2(a)。非穩(wěn)壓半橋變換器的兩開(kāi)關(guān)管分別可以工作在近50占空比，這時(shí)不僅開(kāi)關(guān)管的利用率最高，而且實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)關(guān)。變換器的最小死區(qū)時(shí)間僅受開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷延遲的限制。當(dāng)非穩(wěn)壓半橋變換器工作在這種狀態(tài)下，Q2導(dǎo)通期間電流流向如圖2(b)。當(dāng)Q2由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷，變壓器的漏感電流不能躍變，由于Q2的關(guān)斷，變壓器的漏感電流分別對(duì)Q2、Q3的源/漏寄生電容充/放電，使A點(diǎn)電壓由電源電壓的高電位轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娢唬古cQ3反并聯(lián)的二極管D3導(dǎo)通，提供變壓器的漏感電流通路，形成了事

9、實(shí)上的零電壓關(guān)斷，如圖2(c)。當(dāng)變壓器的漏感電流降到零前，使Q3導(dǎo)通（由于死區(qū)時(shí)間不到1s，很容易滿足），使Q3在“零電壓”導(dǎo)通，如圖2(d)。Q3關(guān)斷、Q2導(dǎo)通的過(guò)程與上述描述相同，不再贅述，從而實(shí)現(xiàn)了“零電壓”開(kāi)關(guān)，使開(kāi)關(guān)管的損耗幾乎僅為導(dǎo)通損耗。本文的應(yīng)用實(shí)例中，Q2、Q3選用HYPERLINK/IRFR320-p.htmoIRFR320貨源和PDF資料t_blankIRFR320結(jié)溫為100時(shí)的導(dǎo)通電阻為3，滿載時(shí)的工作電流約為300mA，導(dǎo)通壓降為lV，占電源電壓的0.25。這樣半橋的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的損耗可以小于整機(jī)輸入功率的1。隔離變壓器由于工作在特定的工作狀態(tài)，因而，其效率也非常高

10、，大約為整機(jī)輸入功率的1。2.4肖特基整流二極管由于隔離級(jí)開(kāi)關(guān)管的占空比接近100（98），不僅流過(guò)輸出整流器的電流的有效值最小，而且，輸出級(jí)全波整流器的耐壓僅需輸出電壓的2倍，對(duì)于輸出為24V輸出，完全可以選用耐壓60V的肖特基整流二極管即可滿足要求，而耐壓60V的肖特基整流二極管的導(dǎo)通壓降（大幅度降額使用，約0.2倍額定電流）可以達(dá)0.35V甚至0.3V以下。這樣本級(jí)效率實(shí)際可達(dá)約9798。3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析測(cè)試設(shè)備：FLUKEF105B示波表、C64系列電流表、電壓表、瓦特表。輸入電壓在85V時(shí)的電源效率約93，輸入電流波形和諧波分析如圖3。功率因數(shù)不低于0.99；非穩(wěn)壓半橋變換器的開(kāi)關(guān)管源、漏電壓波形如圖4，輸出電壓紋波如圖5，輸出電壓尖峰在70mV左右；負(fù)載調(diào)整率小于1%。與正激變換器相比本文提出的電路拓?fù)涞碾姼小㈦娊怆娙萜鞯臄?shù)量是相同的；由于少一個(gè)輸出濾波電感，比具有PFC的正激變換器簡(jiǎn)單；所有功率器件無(wú)散熱器，可直接帖焊在PCB上使體積明顯減小，因此，在環(huán)境溫度為30時(shí)PFC的提升電感、開(kāi)關(guān)管、提升二極