摘要

本文闡述一個(gè)新穎的簡樸的合用于各類范例硬開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的電能接納電路，這個(gè)電路只需利用幾個(gè)意法半導(dǎo)體的元器件：一個(gè)微型線圈、兩個(gè)耦合幫助線圈和兩個(gè)優(yōu)化的PN二極管。并且，這個(gè)電路完全兼容任何一種PWM節(jié)制器。我們?cè)谶@里闡述這個(gè)本錢最低且能效更高的奇特的電能接納電路的根基設(shè)計(jì)要領(lǐng)。為了突出這個(gè)拓?fù)涞拈L處，我們?cè)谝粋€(gè)90-264 VRMS的通用系列450W硬開關(guān)式功率因數(shù)校正器內(nèi)，把這個(gè)電路與8A 碳化硅肖特基二極管舉辦了較量；為了更全面客觀的較量，我們利用了幾個(gè)開關(guān)頻率(72kHz、140kHz和200kHz)。較量功效顯示，新電路的能效高于碳化硅肖特基二極管。另外，這個(gè)包羅專用二極管和小線圈在內(nèi)的整流級(jí)具有很高的本錢效益，切合公共市場的預(yù)期。

1.媒介

最大限度地低落功率損耗，在不增加本錢的前提下提高功率密度，是現(xiàn)代高能效開關(guān)電源面對(duì)的主要挑戰(zhàn)。開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方針是低落功率的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗。

不顯著影響本錢和功率密度而到達(dá)優(yōu)化功率通態(tài)損耗的目標(biāo)是很難的，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)這個(gè)方針需要更多的質(zhì)料，譬喻，晶片和銅線面積。與通態(tài)損耗差異，低落功率開關(guān)損耗而不大幅提高電源本錢較量容易做到。低落功率開關(guān)損耗有兩個(gè)主要要領(lǐng)：改造半導(dǎo)體技能的動(dòng)態(tài)特性或電路拓?fù)洹?

回收碳化硅和氮化鎵等質(zhì)料的新型二極管可大幅低落開關(guān)損耗。然而，這些新產(chǎn)物的能效本錢比并不合用于公共市場，如臺(tái)式機(jī)電腦和處事器電源。

本文重點(diǎn)闡述的專利電路[1]回收軟開關(guān)法，能效/本錢/功率密度/EMI比優(yōu)于碳化硅高壓肖特基二極管，因此切合市場預(yù)期。

1.1.二極管導(dǎo)通損耗

從200W到2000W之間的公共市場電源凡是需要一個(gè)持續(xù)導(dǎo)通（CCM）的功率因數(shù)校正器（PFC）。要想提高功率轉(zhuǎn)換器的功率密度，就應(yīng)該提高開關(guān)頻率。然而，功率因數(shù)校正器的主要開關(guān)損耗是功率開關(guān)/整流器換向單位的損耗，提高開關(guān)頻率意味著更高的損耗。因?yàn)镻N二極管發(fā)生的電壓電流交錯(cuò)區(qū)損耗和反向規(guī)復(fù)損耗[2] ，如圖1.1所示，所以，主要功率損耗產(chǎn)生在功率開關(guān)的導(dǎo)通階段。

圖1:導(dǎo)通損耗與二極管范例和電流軟開關(guān)法比擬

為低落PN二極管整流器引起的功率損耗，最近多家半導(dǎo)體廠家推出了回收碳化硅和氮化鎵技能的高壓肖特基二極管。盡量半導(dǎo)體廠商支付盡力，可是仍然不能消除在晶體管導(dǎo)通進(jìn)程中產(chǎn)生的電流電壓交錯(cuò)區(qū)，如圖1.2所示的。與PN二極管差異，碳化硅二極管可以或許提高dI/dt斜率，而二極管的反向規(guī)復(fù)電流沒有提高。因此，開關(guān)時(shí)間變小，導(dǎo)通功率損耗也跟著變小，可是不能徹底消失。本日，為遵守EMI電磁滋擾防護(hù)尺度，在功率因數(shù)校正器設(shè)計(jì)內(nèi)，碳化硅二極管導(dǎo)通dI/dt最大值約1000A/μs，而傳統(tǒng)的PN二極管的dI/dt值為 300A/μs。

1.2.軟導(dǎo)通法

另一種低落導(dǎo)通損耗的要領(lǐng)是利用一個(gè)軟開關(guān)法，增加一個(gè)小線圈L來節(jié)制dI/dt斜率。該辦理方案消除了在晶體管導(dǎo)通進(jìn)程中產(chǎn)生的電流/電流交錯(cuò)區(qū)和PN二極管反向規(guī)復(fù)電流效應(yīng)，如圖1.3所示。電流軟開關(guān)辦理方案不是新技能，可是必需到達(dá)相關(guān)的技能尺度：

1.在每個(gè)開關(guān)周期重置線圈L的電流（不管電流、輸入和輸出電壓如何變革）。

2.無損規(guī)復(fù)線圈貯存的感到能量。

3.抑制半導(dǎo)體器件上的任何過壓和過流應(yīng)力。

4.當(dāng)增加任何器件時(shí)保持本錢不增加。

5.保持相似的功率密度。

許多電路都可以分為兩大類：有源規(guī)復(fù)電路和無源規(guī)復(fù)電路。

1.3.有源規(guī)復(fù)電路

在有源規(guī)復(fù)電路中，零壓轉(zhuǎn)換(ZVT)電路[3]是設(shè)計(jì)人員很是熟悉的電路，如圖2所示。 這種電路可以革除導(dǎo)通功率損耗和關(guān)斷功率損耗。

圖2: ZVT：有源規(guī)復(fù)電路

從理論上講，因?yàn)樗械拈_關(guān)損耗都被消除，零壓轉(zhuǎn)換(ZVT)是功率因數(shù)校正（PFC）應(yīng)用最抱負(fù)的拓?fù)洹Ａ硗?，不管輸入和輸出功率如何變革，這種電路都能正常事情。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，升壓二極管DB的反向規(guī)復(fù)電流對(duì)零壓轉(zhuǎn)換電路的影響很是明明，致使電感和最小占空比都受到必然水平的限制。因?yàn)樾【€圈L上的重置電流，D2 的反向規(guī)復(fù)電流包括高應(yīng)力電壓和寄生阻尼振蕩。最后，PN二極管的動(dòng)態(tài)特性影響零壓轉(zhuǎn)換(ZVT)電路的總體能效，因?yàn)檫@個(gè)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間應(yīng)該增加，并且為低落半導(dǎo)體器件蒙受的電應(yīng)力，必需增加一個(gè)有損緩沖器。

從本錢上看，零壓轉(zhuǎn)換(ZVT)電路需要增加一個(gè)功率MOSFET開關(guān)管和一個(gè)專用的PWM節(jié)制器。固然市面有多種差異的零壓轉(zhuǎn)換(ZVT)電路，可是仍然無法降服上述技能困難，并且奮發(fā)的本錢基礎(chǔ)不適合公共市場應(yīng)用。因此，無源規(guī)復(fù)電路更有吸引力。

1.4.無源規(guī)復(fù)電路

圖3所示電路是一個(gè)很好的無源規(guī)復(fù)電路示例[4]；只需另增兩個(gè)二極管和一個(gè)諧振電容。

圖3:無源規(guī)復(fù)電路

當(dāng)外部條件穩(wěn)定時(shí)，這個(gè)電路事情精采。不外，在功率因數(shù)校正應(yīng)用中設(shè)計(jì)這種電路難度很大，這是因?yàn)樾【€圈的重置電流受到升壓二極管的反向規(guī)復(fù)電流和外部電氣條件的限制。

盡量無損無源電路只需很少的元器件，不幸地是因?yàn)榧寄茉?，這種電路在功率因數(shù)校正應(yīng)用中不行行。這個(gè)示例表白，固然電流緩沖法已被人們熟知，可是在不影響前文提到的五大尺度的前提下，通過利用電流緩沖律例復(fù)小線圈L的能量是今朝無法降服的技能挑戰(zhàn)。

2.BC2:能量規(guī)復(fù)電路

這個(gè)創(chuàng)新的電路[1]是憑據(jù)軟開關(guān)尺度設(shè)計(jì)的，如圖4所示，為規(guī)復(fù)小線圈L貯存的電能，在升壓線圈LB 四周新增兩個(gè)二極管 D1和D2 和兩個(gè)幫助線圈NS1和NS2 。

圖4:新型能量規(guī)復(fù)電路:BC2

2.1.觀念描寫

當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，線圈NS1 在主升壓線圈內(nèi)規(guī)復(fù)升壓二極管DB的反向規(guī)復(fù)電流IRM 。因?yàn)榻粨Q輸入電壓調(diào)制LB 電壓，所以它也調(diào)制NS1上的反射電壓。另外，這個(gè)輸入電壓還調(diào)制升壓二極管電流IDB及其相關(guān)的反向規(guī)復(fù)電流IRM。這些綜合調(diào)制進(jìn)程讓流經(jīng)小線圈L的特另外反向規(guī)復(fù)電流 IRM 在線圈NS1 內(nèi)重置，即便在最惡劣的環(huán)境下也是如此。當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)，幫助線圈NS2把小線圈L的特別電流注入到輸出電容。線圈NS2 上的反射電壓與輸入電壓是一種函數(shù)干系，當(dāng)交換線處于低壓時(shí)，反射電壓到達(dá)最大值，與小線圈L的最大電流值對(duì)應(yīng)。這些綜合變革使流經(jīng)小線圈L的電暢通過二極管D2 消失在體電容內(nèi)，即便在最惡劣的環(huán)境下也是如此。當(dāng)dI/dt 斜率(約莫10A/μs)較低時(shí)，譬喻，在開關(guān)轉(zhuǎn)換器的斷續(xù)模式下，這兩個(gè)附加線圈NS1和NS2 用于關(guān)斷二極管D1 和D2; 二極管的反向規(guī)復(fù)電流不會(huì)影響電路特性。我們可以說，這個(gè)觀念“在電路內(nèi)接納電流”，因此稱之為BC2。

2.2.相位時(shí)序描寫

變壓比m1 和m2 是線圈NS1和NS2 別離與NP的比值。

相位 [ t0前]

在t0前，BC2電路的特性與傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器的特性溝通。升壓二極管DB 導(dǎo)通，通過體電容器發(fā)射主線圈能量。

相位 [t0, t1]

在t0時(shí)，功率MOSFET導(dǎo)通，DB 的電流便是I0。在t0+時(shí)，電流軟開關(guān)啟動(dòng)，即在零電流時(shí)，功率MOSFET的電壓降至0V，無開關(guān)損耗。在t0后，流經(jīng)小線圈L的電流線性升高，到達(dá)輸入電流I0和二極管反向規(guī)復(fù)電流IRM的總合為止，而流經(jīng)DB 的電流線性降至-IRM。

圖5真實(shí)地描寫了這些電流的變革，并思量到了m2 變壓比。下面是晶體管TR和升壓二極管DB的dI/dt簡化表達(dá)式 :