东莞电容厂家合用于各类范例硬开关功率转换器的电能接纳电路

摘要

本文阐述一个新颖的简朴的合用于各类范例硬开关功率转换器的电能接纳电路，这个电路只需利用几个意法半导体的元器件：一个微型线圈、两个耦合帮助线圈和两个优化的PN二极管。并且，这个电路完全兼容任何一种PWM节制器。我们在这里阐述这个本钱最低且能效更高的奇特的电能接纳电路的根基设计要领。为了突出这个拓扑的长处，我们在一个90-264 VRMS的通用系列450W硬开关式功率因数校正器内，把这个电路与8A 碳化硅肖特基二极管举办了较量；为了更全面客观的较量，我们利用了几个开关频率(72kHz、140kHz和200kHz)。较量功效显示，新电路的能效高于碳化硅肖特基二极管。另外，这个包罗专用二极管和小线圈在内的整流级具有很高的本钱效益，切合公共市场的预期。

1.媒介

最大限度地低落功率损耗，在不增加本钱的前提下提高功率密度，是现代高能效开关电源面对的主要挑战。开关电源的设计方针是低落功率的通态损耗和开关损耗。

不显著影响本钱和功率密度而到达优化功率通态损耗的目标是很难的，因为实现这个方针需要更多的质料，譬喻，晶片和铜线面积。与通态损耗差异，低落功率开关损耗而不大幅提高电源本钱较量容易做到。低落功率开关损耗有两个主要要领：改造半导体技能的动态特性或电路拓扑。

回收碳化硅和氮化镓等质料的新型二极管可大幅低落开关损耗。然而，这些新产物的能效本钱比并不合用于公共市场，如台式机电脑和处事器电源。

本文重点阐述的专利电路[1]回收软开关法，能效/本钱/功率密度/EMI比优于碳化硅高压肖特基二极管，因此切合市场预期。

1.1.二极管导通损耗

从200W到2000W之间的公共市场电源凡是需要一个持续导通（CCM）的功率因数校正器（PFC）。要想提高功率转换器的功率密度，就应该提高开关频率。然而，功率因数校正器的主要开关损耗是功率开关/整流器换向单位的损耗，提高开关频率意味着更高的损耗。因为PN二极管发生的电压电流交错区损耗和反向规复损耗[2] ，如图1.1所示，所以，主要功率损耗产生在功率开关的导通阶段。

图1:导通损耗与二极管范例和电流软开关法比拟

为低落PN二极管整流器引起的功率损耗，最近多家半导体厂家推出了回收碳化硅和氮化镓技能的高压肖特基二极管。尽量半导体厂商支付尽力，可是仍然不能消除在晶体管导通进程中产生的电流电压交错区，如图1.2所示的。与PN二极管差异，碳化硅二极管可以或许提高dI/dt斜率，而二极管的反向规复电流没有提高。因此，开关时间变小，导通功率损耗也跟着变小，可是不能彻底消失。本日，为遵守EMI电磁滋扰防护尺度，在功率因数校正器设计内，碳化硅二极管导通dI/dt最大值约1000A/µs，而传统的PN二极管的dI/dt值为 300A/µs。

1.2.软导通法

另一种低落导通损耗的要领是利用一个软开关法，增加一个小线圈L来节制dI/dt斜率。该办理方案消除了在晶体管导通进程中产生的电流/电流交错区和PN二极管反向规复电流效应，如图1.3所示。电流软开关办理方案不是新技能，可是必需到达相关的技能尺度：

1.在每个开关周期重置线圈L的电流（不管电流、输入和输出电压如何变革）。

2.无损规复线圈贮存的感到能量。

3.抑制半导体器件上的任何过压和过流应力。

4.当增加任何器件时保持本钱不增加。

5.保持相似的功率密度。

许多电路都可以分为两大类：有源规复电路和无源规复电路。

1.3.有源规复电路

在有源规复电路中，零压转换(ZVT)电路[3]是设计人员很是熟悉的电路，如图2所示。 这种电路可以革除导通功率损耗和关断功率损耗。

图2: ZVT：有源规复电路

从理论上讲，因为所有的开关损耗都被消除，零压转换(ZVT)是功率因数校正（PFC）应用最抱负的拓扑。另外，不管输入和输出功率如何变革，这种电路都能正常事情。然而，在实际应用中，升压二极管DB的反向规复电流对零压转换电路的影响很是明明，致使电感和最小占空比都受到必然水平的限制。因为小线圈L上的重置电流，D2 的反向规复电流包括高应力电压和寄生阻尼振荡。最后，PN二极管的动态特性影响零压转换(ZVT)电路的总体能效，因为这个晶体管的导通时间应该增加，并且为低落半导体器件蒙受的电应力，必需增加一个有损缓冲器。

从本钱上看，零压转换(ZVT)电路需要增加一个功率MOSFET开关管和一个专用的PWM节制器。固然市面有多种差异的零压转换(ZVT)电路，可是仍然无法降服上述技能困难，并且奋发的本钱基础不适合公共市场应用。因此，无源规复电路更有吸引力。

1.4.无源规复电路

图3所示电路是一个很好的无源规复电路示例[4]；只需另增两个二极管和一个谐振电容。

图3:无源规复电路

当外部条件稳定时，这个电路事情精采。不外，在功率因数校正应用中设计这种电路难度很大，这是因为小线圈的重置电流受到升压二极管的反向规复电流和外部电气条件的限制。

尽量无损无源电路只需很少的元器件，不幸地是因为技能原因，这种电路在功率因数校正应用中不行行。这个示例表白，固然电流缓冲法已被人们熟知，可是在不影响前文提到的五大尺度的前提下，通过利用电流缓冲律例复小线圈L的能量是今朝无法降服的技能挑战。

2.BC²:能量规复电路

这个创新的电路[1]是凭据软开关尺度设计的，如图4所示，为规复小线圈L贮存的电能，在升压线圈LB 四周新增两个二极管 D1和D2 和两个帮助线圈NS1和NS2 。

图4:新型能量规复电路:BC²

2.1.观念描写

当晶体管导通时，线圈NS1 在主升压线圈内规复升压二极管DB的反向规复电流IRM 。因为交换输入电压调制LB 电压，所以它也调制NS1上的反射电压。另外，这个输入电压还调制升压二极管电流IDB及其相关的反向规复电流IRM。这些综合调制进程让流经小线圈L的特另外反向规复电流 IRM 在线圈NS1 内重置，即便在最恶劣的环境下也是如此。当晶体管关断时，帮助线圈NS2把小线圈L的特别电流注入到输出电容。线圈NS2 上的反射电压与输入电压是一种函数干系，当交换线处于低压时，反射电压到达最大值，与小线圈L的最大电流值对应。这些综合变革使流经小线圈L的电畅通过二极管D2 消失在体电容内，即便在最恶劣的环境下也是如此。当dI/dt 斜率(约莫10A/µs)较低时，譬喻，在开关转换器的断续模式下，这两个附加线圈NS1和NS2 用于关断二极管D1 和D2; 二极管的反向规复电流不会影响电路特性。我们可以说，这个观念“在电路内接纳电流”，因此称之为BC²。

2.2.相位时序描写

变压比m1 和m2 是线圈NS1和NS2 别离与NP的比值。

相位 [ t0前]

在t0前，BC²电路的特性与传统升压转换器的特性沟通。升压二极管DB 导通，通过体电容器发射主线圈能量。

相位 [t0, t1]

在t0时，功率MOSFET导通，DB 的电流便是I0。在t0+时，电流软开关启动，即在零电流时，功率MOSFET的电压降至0V，无开关损耗。在t0后，流经小线圈L的电流线性升高，到达输入电流I0和二极管反向规复电流IRM的总合为止，而流经DB 的电流线性降至-IRM。

图5真实地描写了这些电流的变革，并思量到了m2 变压比。下面是晶体管TR和升压二极管DB的dI/dt简化表达式 :