拓扑是什么?在开关电源中,存在着各种元器件,他们的连接或相互关系是一种网络,我们把这种元器件的特定连接关系称为拓扑。
提高工业ac-dc电源可靠性的关键在于降低功率元件的热、电压和电流应力,这主要是输入电压和所需功率的函数。虽然热应力是额定功率的函数,但电源效率也起着重要作用。因此,可选择有助于减轻这些应力的拓扑,下面探索下拓扑结构对工业ac-dc电源可靠性的影响。
在一个94.5%效率、500w的工业ac-dc电源参考设计中,前端功率因数校正(pfc)级是交错式过渡模式升压拓扑,单级连续导通模式(ccm)升压拓扑结构也是一个可行选择。拓扑选择主要是出于器件压力的考虑,交错式拓扑,因两级并联工作,将功率元件(升压电感、开关金属氧化物半导体场效应晶体管[mosfet]和整流二极管)中的电流应力降低了两倍。
下图为两种拓扑的简化图:
因导通应力显著降低,过渡模式pfc在降低开关应力方面具有优势。当输入电压低于输出电压的一半时,过滤模式下的电压切换为零,即使输入电压较高,电压切换水平也会显著降低。在所有条件下,mosfet和整流器都有零电流开关(zcs)。zcs操作导致整流二极管中的反向恢复几乎消除,这也有助于减小应力并降低电磁干扰(emi)。虽然减少emi不能提供直接的可靠性优势,但emi滤波器元件数量的减少以及敏感电路段噪声拾取的可能性降低,可间接地有助于提高整个电源的可靠性。
考虑热应力时,交错的过渡模式升压拓扑再次比ccm拓扑更有利。在交错过渡模式拓扑中,组件在较低温度下运行,与ccm拓扑相比,更多组件共享几乎相同的功率损耗。在温度降低条件下操作对电源可靠性具有相当大的影响,尤其是在没有强制通风设备的系统中。
交错操作大大降低了输入和输出电容中的纹波电流。这是一个重要的考虑因素,特别是铝电解电容,它是决定整体电源可靠性的最薄弱环节之一。在pfc应用中,纹波电流是决定输出电容寿命的重要因素。应该看到纹波电流的降低不仅是对规格的降额,而且更显著的是由于功耗降低导致的温度降低。
对于dc/dc级,电感-电感-电容(llc)拓扑结构是首选,因为它具有降低的开关应力,不过会增加电流应力。在略高于谐振频率的满载下工作可最大限度地减小电流应力的增加,同时避免由于zcs关断而导致的输出同步mosfet体二极管反向恢复。
该设计实现了接近95%的效率,而不会增加太多复杂性。pfc级效率在230 v时高于98%,在115 v时高于96.5%,llc级的效率高于96.5%。拓扑和组件选择是影响此性能的因素,另一个需要考虑的重点是电路在其工作范围内的效率,在其使用寿命期间,它可能并不总是在满载或接近满载的情况下运行。因此,在广泛的操作区域内实现良好的效率非常重要,这使pfc和llc功率级在选择控制器时变得重要。
如上图所示:该设计中使用的两个控制器(用于pfc的ucc28064a和用于llc的ucc256301)具有在宽工作范围内提供效率优势的控制技术。该设计中使用的ucc24612,同步整流器控制器和驱动器,通过实现近乎理想的二极管仿真来降低输出整流器损耗,并间接降低初级侧损耗。这些控制器设备对提高整体可靠性的贡献并非无关紧要。
在工业ac-dc电源应用中,必须选择可以减少组件压力的拓扑结构。交错的过渡模式升压拓扑和llc拓扑是比其他拓扑更好的选择,因为可减少组件压力。拓扑结构选择应考虑将功率损耗分配给更多组件,且提高效率尤为重要,因为热应力与其直接相关。
在工业4.0和工业物联网的潮流下,工业自动化和工业设备市场增长迅速,而提供枢纽动力的电源,需求也在不断提高。高功率密度、高集成度、模块化、追求更小尺寸、更高可靠性成为当前ac-dc电源模块产品的主要发展趋势。