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拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對工業(yè)ac-dc電源可靠性的影響

2020-06-06

拓?fù)涫鞘裁??在開關(guān)電源中,存在著各種元器件,他們的連接或相互關(guān)系是一種網(wǎng)絡(luò),我們把這種元器件的特定連接關(guān)系稱為拓?fù)洹?


提高工業(yè)ac-dc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)。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,可選擇有助于減輕這些應(yīng)力的拓?fù)?,下面探索下拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對工業(yè)ac-dc電源可靠性的影響。


在一個94.5%效率、500W的工業(yè)ac-dc電源參考設(shè)計(jì)中,前端功率因數(shù)校正(PFC)級是交錯式過渡模式升壓拓?fù)?,單級連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是一個可行選擇。拓?fù)溥x擇主要是出于器件壓力的考慮,交錯式拓?fù)?,因兩級并?lián)工作,將功率元件(升壓電感、開關(guān)金屬氧化物半導(dǎo)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。


下圖為兩種拓?fù)涞暮喕瘓D:

 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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(dāng)輸入電壓低于輸出電壓的一半時(shí),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(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(shí),交錯的過渡模式升壓拓?fù)湓俅伪?/span>CCM拓?fù)涓欣?。在交錯過渡模式拓?fù)渲校M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電源可靠性具有相當(dāng)大的影響,尤其是在沒有強(qiáng)制通風(fēng)設(shè)備的系統(tǒng)中。


交錯操作大大降低了輸入和輸出電容中的紋波電流。這是一個重要的考慮因素,特別是鋁電解電容,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壽命的重要因素。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(dǎo)致的溫度降低。


對于DC/DC級,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_關(guān)應(yīng)力,不過會增加電流應(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(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,而不會增加太多復(fù)雜性。PFC級效率在230 V時(shí)高于98%,在115 V時(shí)高于96.5%,LLC級的效率高于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載或接近滿載的情況下運(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,這使PFCLLC功率級在選擇控制器時(shí)變得重要。

 

如上圖所示:該設(shè)計(jì)中使用的兩個控制器(用于PFCUCC28064A和用于LLCUCC256301)具有在寬工作范圍內(nèi)提供效率優(yōu)勢的控制技術(shù)。該設(shè)計(jì)中使用的UCC24612,同步整流器控制器和驅(qū)動器,通過實(shí)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(xiàn)并非無關(guān)緊要。


在工業(yè)ac-dc電源應(yīng)用中,必須選擇可以減少組件壓力的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。交錯的過渡模式升壓拓?fù)浜?/span>LLC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)浣Y(jié)構(gòu)選擇應(yīng)考慮將功率損耗分配給更多組件,且提高效率尤為重要,因?yàn)闊釕?yīng)力與其直接相關(guān)。


在工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的潮流下,工業(yè)自動化和工業(yè)設(shè)備市場增長迅速,而提供樞紐動力的電源,需求也在不斷提高。高功率密度、高集成度、模塊化、追求更小尺寸、更高可靠性成為當(dāng)前ac-dc電源模塊產(chǎn)品的主要發(fā)展趨勢。

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