如何實現高功率密度的工業(yè)電源

　　圖3中，綠色曲線的較厚區(qū)域代表電流紋波，PFC IC在峰值輸入電壓下消耗電流較多，過零時沒有電流。粉色曲線代表整流器輸入電壓，藍色曲線為輸出電壓。

圖3 CCM PFC的行為
　　LLC拓撲

　　提高電源效率的方法之一是采用零電壓開關拓撲。在這種拓撲中，電路中的電源開關在電壓極低時導通。對于鉗位感應開關MOSFET，導通損耗PON LOSS可由下式粗略求得：

　　IL為流經MOSFET的負載電流，VDS(SW)為MOSFET導通前的漏源電壓，tON為導通時間，而fSW 則為開關頻率。

　　在硬開關拓撲中，VDS(SW)是總線電壓，對帶有PFC前端級的應用來說一般約為400V。對于零電壓開關，該電壓被降至MOSFET二極管的正向電壓降，在1V左右，從而極大地減小了導通開關損耗。

　　圖4所示為LLC諧振轉換器的模塊示意圖。其核心組件是諧振網絡，在輸入端電壓波形和流入輸入端的電流之間產生相位滯后，加載在輸入端的電壓波形是方波，利用半橋或全橋電路很容易就可以從PFC輸出電壓中產生。

圖4 LLC諧振轉換器模塊示意圖和零電壓開關波形

　　如果忽略橋式電路中死區(qū)時間效應以及更高階諧波的出現，那么流入諧振網絡的電流可近似表示為正弦波。由于流入諧振電路的電流滯后于電壓基波，當MOSFET處于導通狀態(tài)時，電流從兩個方向流入，如圖4所示。MOSFET在電流流經體二極管時導通，導致“零”電壓開關。這種方法帶來的一個額外好處是導通時產生的EMI較低，這是因為高dv/dt和di/dt轉換時間要短得多，而且通常沒有標準硬開關應用中不可避免的反向恢復效應。

　　由于諧振電路的輸出是周期性的，因此需要對之進行整流。這可以采用如圖4所示的全波整流器或一個帶中心抽頭（centre-tap）的整流器來完成。

　　最后，AC-DC電源中的諧振網絡基本上都會采用一個變壓器。該變壓器執(zhí)行兩項任務：其一是提供初級端和次級端之間必需的安全隔離；其二是通過它的匝數比控制電源的總體電壓轉換比率。

　　為了避免Q1和Q2同時導通的風險，需要一定的死區(qū)時間。以Q1的關斷波形為例。流經開關的電流很大，接近峰值電流。關斷期間的電壓擺幅為滿總線電壓，因此關斷步驟是無損耗的。

　　要確保Q2的零電壓開關，Q1的漏源電容完全充電十分重要，這意味著充電時間不應該超過死區(qū)時間。若總線電壓為VBUS，開關時電流為ISW，有效漏源電容為CDSeff，則電容的充電時間tSW可由下式計算出：

　　VBUS由設計條件事先確定。如果CDSeff為零，Q2就會如預期地實現零電壓開關。如果CDSeff非常大，Q2為硬開關工作。輕載下ISW很小，當負載足夠小時，最終也會發(fā)生Q2硬開關。

　　有時可為每個MOSFET并聯一個電容。如果其容量選擇適當，就可以降低關斷損耗，同時又不影響較輕負載下的零電壓開關性能。

　　LLC諧振轉換器是讓諧振轉換器與一個電感串聯。這樣一來，諧振電路中就有兩個電感和一個電容，故名為L-L-C。圖5顯示了一個實例電路的增益特性。

圖5 LLC諧振轉換器增益曲線實例