通用開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的電能回收電路設(shè)計(jì)方案

　　1.前言

　　最大限度地降低功率損耗，在不增加成本的前提下提高功率密度，是現(xiàn)代高能效開(kāi)關(guān)電源面臨的主要挑戰(zhàn)。開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)目標(biāo)是降低功率的通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗。

　　不顯著影響成本和功率密度而達(dá)到優(yōu)化功率通態(tài)損耗的目的是很難的，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)需要更多的材料，例如，晶片和銅線(xiàn)面積。與通態(tài)損耗不同，降低功率開(kāi)關(guān)損耗而不大幅提高電源成本比較容易做到。降低功率開(kāi)關(guān)損耗有兩個(gè)主要方法：改進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的動(dòng)態(tài)特性或電路拓?fù)洹?/P>

　　采用碳化硅和氮化鎵等材料的新型二極管可大幅降低開(kāi)關(guān)損耗。然而，這些新產(chǎn)品的能效成本比并不適用于大眾市場(chǎng)，如臺(tái)式機(jī)電腦和服務(wù)器電源。

　　本文重點(diǎn)論述的專(zhuān)利電路［1］采用軟開(kāi)關(guān)法，能效/成本/功率密度/EMI比優(yōu)于碳化硅高壓肖特基二極管，因此符合市場(chǎng)預(yù)期。

　　1.1. 二極管導(dǎo)通損耗

　　從200 W到2000W之間的大眾市場(chǎng)電源通常需要一個(gè)連續(xù)導(dǎo)通（CCM）的功率因數(shù)校正器（PFC）。要想提高功率轉(zhuǎn)換器的功率密度，就應(yīng)該提高開(kāi)關(guān)頻率。然而，功率因數(shù)校正器的主要開(kāi)關(guān)損耗是功率開(kāi)關(guān)/整流器換向單元的損耗，提高開(kāi)關(guān)頻率意味著更高的損耗。因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/PN二極管">PN二極管產(chǎn)生的電壓電流交叉區(qū)損耗和反向恢復(fù)損耗［2］ ，如圖1.1所示，所以，主要功率損耗發(fā)生在功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通階段。

　　圖1：導(dǎo)通損耗與二極管類(lèi)型和電流軟開(kāi)關(guān)法對(duì)比

　　為降低PN二極管整流器引起的功率損耗，最近多家半導(dǎo)體廠(chǎng)家推出了采用碳化硅和氮化鎵技術(shù)的高壓肖特基二極管。盡管半導(dǎo)體廠(chǎng)商付出努力，但是仍然不能消除在晶體管導(dǎo)通過(guò)程中發(fā)生的電流電壓交叉區(qū)，如圖1.2所示的。與PN二極管不同，碳化硅二極管能夠提高dI/dt斜率，而二極管的反向恢復(fù)電流沒(méi)有提高。因此，開(kāi)關(guān)時(shí)間變小，導(dǎo)通功率損耗也隨著變小，但是不能徹底消失。今天，為遵守EMI電磁干擾防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，在功率因數(shù)校正器設(shè)計(jì)內(nèi)，碳化硅二極管導(dǎo)通dI/dt最大值約1000 A/μs，而傳統(tǒng)的PN二極管的dI/dt值為 300 A/μs。

　　1.2.軟導(dǎo)通法

　　另一種降低導(dǎo)通損耗的方法是使用一個(gè)軟開(kāi)關(guān)法，增加一個(gè)小線(xiàn)圈L來(lái)控制dI/dt斜率。該解決方案消除了在晶體管導(dǎo)通過(guò)程中發(fā)生的電流/電流交叉區(qū)和PN二極管反向恢復(fù)電流效應(yīng)，如圖1.3所示。電流軟開(kāi)關(guān)解決方案不是新技術(shù)，但是必須達(dá)到相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：

　　1.在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期重置線(xiàn)圈L的電流（不管電流、輸入和輸出電壓如何變化）。

　　2.無(wú)損恢復(fù)線(xiàn)圈貯存的感應(yīng)能量。

　　3.抑制半導(dǎo)體器件上的任何過(guò)壓和過(guò)流應(yīng)力。

　　4.當(dāng)增加任何器件時(shí)保持成本不增加。

　　5.保持相似的功率密度。

　　很多電路都可以分為兩大類(lèi)：有源恢復(fù)電路和無(wú)源恢復(fù)電路。

　　1.3.有源恢復(fù)電路

　　在有源恢復(fù)電路中，零壓轉(zhuǎn)換（ZVT）電路［3］是設(shè)計(jì)人員非常熟悉的電路，如圖2所示。 這種電路可以根除導(dǎo)通功率損耗和關(guān)斷功率損耗。

　　圖2： ZVT：有源恢復(fù)電路

　　從理論上講，因?yàn)樗械拈_(kāi)關(guān)損耗都被消除，零壓轉(zhuǎn)換（ZVT）是功率因數(shù)校正（PFC）應(yīng)用最理想的拓?fù)?。此外，不管輸入和輸出功率如何變化，這種電路都能正常工作。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，升壓二極管DB的反向恢復(fù)電流對(duì)零壓轉(zhuǎn)換電路的影響非常明顯，致使電感和最小占空比都受到一定程度的限制。因?yàn)樾【€(xiàn)圈L上的重置電流，D2 的反向恢復(fù)電流包含高應(yīng)力電壓和寄生阻尼振蕩。最后，PN二極管的動(dòng)態(tài)特性影響零壓轉(zhuǎn)換（ZVT）電路的總體能效，因?yàn)檫@個(gè)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間應(yīng)該增加，而且為降低半導(dǎo)體器件遭受的電應(yīng)力，必須增加一個(gè)有損緩沖器。

　　從成本上看，零壓轉(zhuǎn)換（ZVT）電路需要增加一個(gè)功率MOSFET開(kāi)關(guān)管和一個(gè)專(zhuān)用的PWM控制器。雖然市面有多種不同的零壓轉(zhuǎn)換（ZVT）電路，但是仍然無(wú)法克服上述技術(shù)難題，而且高昂的成本根本不適合大眾市場(chǎng)應(yīng)用。因此，無(wú)源恢復(fù)電路更有吸引力。

　　1.4.無(wú)源恢復(fù)電路

　　圖3所示電路是一個(gè)很好的無(wú)源恢復(fù)電路示例［4］；只需另增兩個(gè)二極管和一個(gè)諧振電容。

　　圖3：無(wú)源恢復(fù)電路

　　當(dāng)外部條件不變時(shí)，這個(gè)電路工作良好。不過(guò)，在功率因數(shù)校正應(yīng)用中設(shè)計(jì)這種電路難度很大，這是因?yàn)樾【€(xiàn)圈的重置電流受到升壓二極管的反向恢復(fù)電流和外部電氣條件的限制。

　　盡管無(wú)損無(wú)源電路只需很少的元器件，不幸地是因?yàn)榧夹g(shù)原因，這種電路在功率因數(shù)校正應(yīng)用中不可行。這個(gè)示例表明，雖然電流緩沖法已被人們熟知，但是在不影響前文提到的五大標(biāo)準(zhǔn)的前提下，通過(guò)使用電流緩沖法恢復(fù)小線(xiàn)圈L的能量是目前無(wú)法克服的技術(shù)挑戰(zhàn)。

　　2.BC2：能量恢復(fù)電路

　　這個(gè)創(chuàng)新的電路［1］是按照軟開(kāi)關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，如圖4所示，為恢復(fù)小線(xiàn)圈L貯存的電能，在升壓線(xiàn)圈LB 附近新增兩個(gè)二極管 D1和D2 和兩個(gè)輔助線(xiàn)圈NS1和NS2 。

　　圖4：新型能量恢復(fù)電路：BC2

　　2.1.概念描述

　　當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，線(xiàn)圈NS1 在主升壓線(xiàn)圈內(nèi)恢復(fù)升壓二極管DB的反向恢復(fù)電流IRM 。因?yàn)榻涣鬏斎腚妷赫{(diào)制LB電壓，所以它也調(diào)制NS1上的反射電壓。此外，這個(gè)輸入電壓還調(diào)制升壓二極管電流IDB及其相關(guān)的反向恢復(fù)電流IRM。這些綜合調(diào)制過(guò)程讓流經(jīng)小線(xiàn)圈L的額外的反向恢復(fù)電流 IRM 在線(xiàn)圈NS1 內(nèi)重置，即便在最?lèi)毫拥那闆r下也是如此。當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)，輔助線(xiàn)圈NS2把小線(xiàn)圈L的額外電流注入到輸出電容。線(xiàn)圈NS2 上的反射電壓與輸入電壓是一種函數(shù)關(guān)系，當(dāng)交流線(xiàn)處于低壓時(shí)，反射電壓達(dá)到最大值，與小線(xiàn)圈L的最大電流值對(duì)應(yīng)。這些綜合變化使流經(jīng)小線(xiàn)圈L的電流通過(guò)二極管D2 消失在體電容內(nèi)，即便在最?lèi)毫拥那闆r下也是如此。當(dāng)dI/dt 斜率（大約10 A/μs）較低時(shí)，例如，在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的斷續(xù)模式下，這兩個(gè)附加線(xiàn)圈NS1和NS2 用于關(guān)斷二極管D1 和D2; 二極管的反向恢復(fù)電流不會(huì)影響電路特性。我們可以說(shuō)，這個(gè)概念“在電路內(nèi)回收電流”，因此稱(chēng)之為BC2。

　　2.2. 相位時(shí)序描述

　　變壓比m1 和m2 是線(xiàn)圈NS1和NS2 分別與NP的比值。

　　相位 ［ t0前］

　　在t0前，BC2電路的特性與傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器的特性相同。升壓二極管DB 導(dǎo)通，通過(guò)體電容器發(fā)射主線(xiàn)圈能量。

　　相位 ［t0， t1］

　　在t0時(shí)，功率MOSFET導(dǎo)通，DB 的電流等于I0。在t0+時(shí)，電流軟開(kāi)關(guān)啟動(dòng)，即在零電流時(shí)，功率MOSFET的電壓降至0V，無(wú)開(kāi)關(guān)損耗。在t0后，流經(jīng)小線(xiàn)圈L的電流線(xiàn)性升高，達(dá)到輸入電流I0和二極管反向恢復(fù)電流IRM的總合為止，而流經(jīng)DB 的電流線(xiàn)性降至-IRM。

　　圖5 真實(shí)地描述了這些電流的變化，并考慮到了m2 變壓比。下面是晶體管TR和升壓二極管DB的dI/dt簡(jiǎn)化表達(dá)式 ：

　　此外，在t0 +時(shí)，功率MOSFET的固有電容COSS 被放電，電阻是晶體管的導(dǎo)通電阻RDS（on）。與功率校正電路不同，晶體管漏極上的電壓較低，因?yàn)閂NS2反射電壓是從VOUT抽取的，這個(gè)特性讓BC2 電路具有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，在低輸出負(fù)荷時(shí)，可以節(jié)省電能，利用下面的公式可以算出節(jié)省的電能：

　　因此，BC2 還降低了關(guān)斷損耗。

　　相位［t1， t2］

　　在t1+時(shí)，升壓二極管DB 關(guān)斷，過(guò)流IRM被貯存小線(xiàn)圈內(nèi)，過(guò)流使DB 結(jié)電容線(xiàn)性放電。同時(shí)，主線(xiàn)圈上的電壓極性發(fā)生變化，直到D1 二極管導(dǎo)通為止。與此同時(shí)，過(guò)流IRM 被變壓比m1降低，然后被發(fā)射到主線(xiàn)圈內(nèi)。<