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電路配置通盤考量應(yīng)用

作者: 時(shí)間:2011-11-03 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
打造隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器 LLC/AHB拓?fù)鋸V獲青睞

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/187222.htm

  在整個(gè)AC-DC電源設(shè)計(jì)中,隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)是一個(gè)重要環(huán)節(jié),而半橋則是針對(duì)此設(shè)計(jì)一個(gè)很好的拓?fù)溥x擇,因?yàn)樗袃蓚€(gè)互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)的初級(jí)端MOSFET,且最大汲極源極電壓(Drain-to-source Voltage)受限于所加的直流輸入電壓。其中,半橋拓?fù)溆袃煞N衍生產(chǎn)品,即半橋諧振(LLC)和AHB,兩種都已被廣為采用,部分原因是因?yàn)榭扇〉脤S糜谶@些拓?fù)涞墓β使芾砜刂艻C。

  首先,LLC藉由可變頻率控制技術(shù),利用與功率級(jí)設(shè)計(jì)相關(guān)的寄生元素來實(shí)現(xiàn)ZVS切換。不過,由于經(jīng)調(diào)節(jié)的直流輸出只使用電容濾波,這種拓?fù)渥钸m合的是輸出漣波較低、輸出電壓較高的應(yīng)用,對(duì)于離線DC-DC應(yīng)用,一般規(guī)則是當(dāng)輸出電壓大于12伏特直流電時(shí),最好選擇LLC。

  另外,對(duì)于300瓦、12伏特DC-DC轉(zhuǎn)換器,AHB則成為一種高效率的選擇,其采用固定式的頻率控制方法,由于初級(jí)電流決定于變壓器的初級(jí)電壓,故可為兩個(gè)初級(jí)MOSFET的ZVS提供必要條件。同時(shí),利用AHB實(shí)現(xiàn)ZVS能力的前提類似于LLC,也須取決于對(duì)寄生元素的透徹了解,例如變壓器漏電感、繞組電容(Winding Capacitance)和分立式功率器件的結(jié)電容等。

  運(yùn)用固定頻率方案簡(jiǎn)化SR工作

  相較于LLC控制中采用的可變頻率控制方法,固定頻率方案可以大幅簡(jiǎn)化次級(jí)端自驅(qū)動(dòng)SR的工作,使其閘極驅(qū)動(dòng)電壓很容易由變壓器次級(jí)端推算出來。此時(shí)增加一個(gè)低端MOSFET驅(qū)動(dòng)器,如圖2所示的雙路4安培(A)FAN3224驅(qū)動(dòng)器,就可以精確給出流經(jīng)MOSFET米勒平坦區(qū)的電平轉(zhuǎn)換和高峰值驅(qū)動(dòng)電流,從而確保快速高效的SR開關(guān)轉(zhuǎn)換。

  

帶倍流整流器的自驅(qū)動(dòng)同步整流(SR)示意圖

  圖2 帶倍流整流器的自驅(qū)動(dòng)同步整流(SR)示意圖

  圖2的倍流整流器可用于任何雙端電源拓?fù)浜痛驞C電流應(yīng)用,它具有好幾個(gè)突出的特性。第一,其次級(jí)端由一單一繞組構(gòu)成,可簡(jiǎn)化變壓器的結(jié)構(gòu)。其次,由于所需的輸出電感被分配在兩個(gè)電感器上,故大電流流入次級(jí)端而產(chǎn)生的功耗會(huì)得到更有效的分布。第三,作為工作周期(D)的函數(shù),兩個(gè)電感漣波電流彼此抵消后,兩個(gè)電感電流將擁有相當(dāng)于兩倍開關(guān)頻率的視頻率(Apparent Frequency),故可允許更高的頻率,且流入輸出電感的峰值電流更低。

  最后,在對(duì)稱轉(zhuǎn)換器(推挽式、半橋、全橋)中,每一個(gè)倍流電感都可攜帶一半的輸出電流,而AHB則不盡然,且加在次級(jí)端整流器上的非對(duì)稱電壓也可能是AHB的缺點(diǎn)之一。當(dāng)AHB在其限值工作周期為0.5附近工作時(shí),載入的SR電壓幾乎可達(dá)到匹配。

  然而,更合理的方案是通過對(duì)變壓器的匝數(shù)比進(jìn)行設(shè)計(jì),使工作周期在額定工作期間保持在0.25工作周期0.35的特定范圍內(nèi)。當(dāng)工作周期在此范圍內(nèi)時(shí),如圖2所示,Q1和Q2之間的電壓應(yīng)力,以及載入L1和L2兩端的電壓會(huì)變得不均衡,導(dǎo)致L1和L2之間的電流分布不均勻,必須考慮到每一個(gè)SR MOSFET的額定電壓。

  有鑒于此,可以采用電感值不相等的L1和L2,以及額定電壓不同的SR MOSFET來優(yōu)化設(shè)計(jì),而變壓器的匝數(shù)比也可以是非對(duì)稱的;只不過,使用這些技術(shù)須對(duì)所有工作條件下的行為有深入的了解。

  材料/元件細(xì)評(píng)估 效率/尺寸可兼顧

  值得注意的是,表1所示的規(guī)格可說明上述解決方案的可行性,但是須采用一個(gè)交錯(cuò)式雙BCM PFC升壓預(yù)調(diào)節(jié)器來滿足此一設(shè)計(jì),預(yù)調(diào)節(jié)器之后是一個(gè)帶自驅(qū)動(dòng)SR的非對(duì)稱半橋DC-DC轉(zhuǎn)換器,如圖1所示。

  

  其實(shí),表1的規(guī)格是對(duì)AC-DC電源設(shè)計(jì)要求的簡(jiǎn)單結(jié)論,主要設(shè)計(jì)目標(biāo)包括盡可能在寬范圍內(nèi)獲得最大的效率,并實(shí)現(xiàn)最小型的電源設(shè)計(jì)及散熱器尺寸。若要在寬負(fù)載范圍內(nèi)獲得最大的效率,須對(duì)每一個(gè)功率級(jí)的材料和元件選擇進(jìn)行仔細(xì)的考慮,尤其是在磁性設(shè)計(jì)方面,由于交錯(cuò)式BCM PFC的頻率可能高達(dá)數(shù)百kHz,且變化多達(dá)10:1,故升壓電感必須是客制化設(shè)計(jì)的。

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