通过选择拓扑提高工业AC/DC电源的可靠性

作者：德州仪器 Salil Chellappan

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提高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。不过，您可选择有助于减轻这些应力的拓扑。

同样，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，在追求可靠性的过程中，探索提供高效率的拓扑结构和电路元件极其重要。

在我们的94.5%效率、500 W工业AC / DC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，尽管单级连续导通模式(CCM)升压拓扑结构是也是一个可行选择。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。图1所示为两种拓扑的简化图。

图1：交错式和单级升压PFC

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。

此外，交错操作大大降低了输入和输出电容器中的纹波电流。这是一个重要的考虑因素，特别是铝电解型输出电容器，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器寿命(由于尺寸、成本和可用性原因而电压额定值被限制为450V/500 V)的最重要因素。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，尽管它确实会增加电流应力。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。这就是为PFC和LLC功率级选择控制器变得至关重要之处。

本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，如图2所示。此外，本设计中使用的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。

图 2：PFC和LLC级效率

在工业电源应用中，您必须选择可以减少组件压力的拓扑。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。拓扑选择应考虑将功率损耗分配给更多组件，且提高效率非常重要，因为热应力与其直接相关。