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怎样实现高功率密度的工业电源

供稿:中国工控网 2011/6/12 20:38:00

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工业电源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,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

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