用于故障容受型高壓電源的新型預穩壓器設計

　　對抗相位故障

　　如果交流電源到電表之間出現錯誤連接故障，或是像空調或電磁爐等采用三相電源工作的大功率負載在兩個(gè)相位之間的連接錯誤，電源輸入端很有可能出現極高電壓。為了在這些類(lèi)型故障條件下生存，主AC-DC電源就必須能夠承受約為常規交流主電源均方根(RMS)供電電壓兩倍的電壓。

　　對于在美國(額定交流主電源電壓為110VAC)工作的系統而言，通用交流主電源輸入的常規開(kāi)關(guān)電源(SMPS)能符合此要求。但是，在歐洲或亞洲，開(kāi)關(guān)電源必須能夠承受460V電壓(整流后高于600VDC)。這可以通過(guò)修改標準開(kāi)關(guān)電源輸入來(lái)實(shí)現，方法是在輸入端串聯(lián)兩個(gè)大電容。對于采用1，000V或更高額定電壓MOSFET構建的經(jīng)典反激轉換器，或是使用共源共柵(cascode)連接的兩顆MOSFET的修改型反激架構而言，這可能就滿(mǎn)足需求了。

　　市場(chǎng)上沒(méi)有適合的額定電壓高于450V的大電容，因此，就要求串聯(lián)2顆電容來(lái)支持600V或更高電壓。由于電容串聯(lián)連接，它們的值就會(huì )翻倍，使得維持時(shí)間的存儲的總能量保持相同。為了避免兩個(gè)電容之間出現不均衡的電壓分配，應當為各個(gè)電容并聯(lián)電阻。這就增加了I2R損耗，因此降低電源能效。而且，還要求額外的瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)，用于保護電容免受短路故障影響。

　　圖1顯示了為傳統反激轉換器供電修改的大電容電路。雖然此方法不要求額外的開(kāi)關(guān)模塊，但必須使用額定電壓達1，000V或更高的MOSFET，用于支持輸入端更高的故障電壓，以及變壓器反激電壓。針對寬輸入電壓范圍設計開(kāi)關(guān)電源也要求相應的寬頻率動(dòng)態(tài)范圍或MOSFET導通時(shí)間(ton)變化，以在更寬范圍內維持穩壓。此外，更高的MOSFET dV/dt也會(huì )增加開(kāi)關(guān)損耗，導致能效降低，并增加電磁干擾(EMI)的風(fēng)險。

　　圖1：反激轉換器中的串聯(lián)大電容電路及單顆1，000V MOSFET

　　圖2：MOSFET與開(kāi)關(guān)穩壓器采用共源共柵配置的高壓輸入開(kāi)關(guān)電源

　　另一種方法是單顆MOSFET可以采用共源共柵配置的2顆MOSFET來(lái)替代，如圖2所示。普通的700V開(kāi)關(guān)穩壓器結合600V功率MOSFET，足以承受反激電壓與整流輸入電壓之和。如電路所示，60V MOSFET的柵極要求額外的TVS。與標準反激架構一樣，開(kāi)關(guān)電源的設計應當針對寬輸入電壓范圍，并帶有相應的大開(kāi)關(guān)頻率漂移或ton動(dòng)態(tài)范圍，以確保輸出電壓的穩壓。開(kāi)關(guān)損耗及復雜EMI信號的風(fēng)險也相似。

　　又一種方法，是通過(guò)審慎的設計，使用帶800V功率MOSFET或集成開(kāi)關(guān)穩壓器的經(jīng)典拓撲結構來(lái)實(shí)現一種方案。然而，必須注意將變壓器反射電壓降至最小，從而將最大晶體管電壓保持在低于800V，即使電源電壓在故障條件下處于最高時(shí)(約620V )。這要求變壓器具有小匝數比(Np/ Ns)及低初級電感。當輸入電壓高、輸出功率低時(shí)MOSFET導通時(shí)間ton必須極短，而次級端二極管擁有長(cháng)導電時(shí)間。

　　有幾項因素會(huì )限制這類(lèi)方案的性能、損及可靠性并增加成本。極短的導通時(shí)間ton可能滋生不穩定的穩壓，迫使開(kāi)關(guān)電源在非突發(fā)模式下降至低頻工作。此外，雖然對于抗雪崩型功率MOSFET而言，10%的電壓余量通常被認為足夠，但非抗雪崩型器件應當考慮有2 0%的余量，以避免瞬態(tài)事件及啟動(dòng)相位期間出現任何問(wèn)題。至于次級側二極管，要求高反向電壓能力，這通常需要高成本、大體積及大正向壓降Vf (通常會(huì )降低能效)的二極管。　　變壓器漏電感產(chǎn)生的峰值電壓應當保持在低于800V極限值的極低標準。這要求使用大的緩沖器電路，該電路會(huì )增加功率耗散，因而損及總能效。

　　新型預穩壓器設計

　　一種新的可選方案建議在開(kāi)關(guān)電源輸入端插入穩壓器，如圖3所示。這就無(wú)需串聯(lián)大電容及其相關(guān)的電路，且能使用傳統反激轉換器設計，以避免使用特殊高壓元器件。

　　圖3：預穩壓器簡(jiǎn)化轉換器設計，能夠使用更小、更低成本的元器件

　　可以設計一個(gè)穩壓器- 能夠防止開(kāi)關(guān)電源輸入電壓超過(guò)由輸入整流器產(chǎn)生的380VDC常規最大電壓。這就能夠使用單個(gè)標準450V大電容及700V集成開(kāi)關(guān)穩壓器，而沒(méi)有電壓及設計問(wèn)題。而且，通過(guò)進(jìn)一步降低穩壓輸出電壓以將開(kāi)關(guān)電源輸入電壓保持在200VDC(140VACx2)的最低電壓，還能獲得更大的優(yōu)勢。預穩壓器用作LDO，提供200VDC穩壓電壓，但它的開(kāi)關(guān)特性避免了功率耗散過(guò)多、大散熱片及可靠性問(wèn)題。能夠使用250V大電容，縮小尺寸并降低成本。開(kāi)關(guān)電源緩沖器能用于控制及驅動(dòng)預穩壓器MOSFET。

　　為了達到最高能效，開(kāi)關(guān)預穩壓器與主電源同步，從而通過(guò)穩壓器MOSFET，以最小的電壓降為大電容提供能量。這可以將能效提升至約90%。此設計使用半波而非全波交流主電源整流，可以避免導通時(shí)間過(guò)短并降低開(kāi)關(guān)損耗。這種預穩壓器設計還提供在啟動(dòng)相位期間限制浪涌電流的電路。

　　系統中有了預穩壓器，開(kāi)關(guān)電源的設計也簡(jiǎn)化了。由于輸入電壓范圍大幅減小，就不要求支持大的頻率及導通時(shí)間ton變化范圍。此外，使用較小的250V大電容，能夠優(yōu)化維持時(shí)間，而對總體尺寸及成本的影響極小，因為250V電容比450V電容更小、更經(jīng)濟。不僅如此，大電容較低的供電電壓使緩沖器電路電容能夠減小，而緩沖器阻抗可以相應增加。

　　減小的供電電壓也提供更高的靈活性，可以設計帶有更高反射電壓能力的變壓器，不僅可以降低緩沖器尺寸及能耗從而提升能效，還使次級二極管能夠擁有更低的反向電壓能力及相應更低的正向壓降Vf。降低供電電壓的更深層次優(yōu)勢是優(yōu)化開(kāi)關(guān)損耗及電磁干擾(EMI)?？傮w而言，預穩壓器能夠提升開(kāi)關(guān)電源能效，顯著(zhù)減小尺寸并降低成本。

　　其它幾個(gè)方面也值得一提。其一，標準交流主電源濾波器不要求修改，因為電流不會(huì )超過(guò)標準反激轉換器最小供電電壓提供的電流。此外，也可以省去用于限制浪涌電流的NTC器件，因為預穩壓器的限流器現在可以提供此功能。開(kāi)關(guān)電源也不要求半波或全橋整流器，因為整流在預穩壓器之前已經(jīng)完成了。

　　結論

　　這種200V 預穩壓器就像超高能效的LDO,幫助簡(jiǎn)化支持超高輸入電壓的電源設計。它非常適合用于必須承受因中性線(xiàn)開(kāi)路或兩相之間錯誤連接導致的高輸入電壓的單相電源。

　　使用預穩壓器幫助簡(jiǎn)化大電容選擇，同時(shí)減小電容尺寸并減少電容數量。單個(gè)低壓大電容擁有長(cháng)維持時(shí)間，比要求兩個(gè)大電容及平衡電阻的經(jīng)典途徑還節省空間及成本。250V大電容(而非450V大電容)配合使用技術(shù)更優(yōu)化的電容，為高環(huán)境溫度工作條件提供更長(cháng)的使用壽命。

　　更深層次的優(yōu)勢是能使用單個(gè)700V集成開(kāi)關(guān)穩壓器來(lái)替代高壓MOS FET及分立控制器，或是采用共源共柵連接的MOSFET與高壓開(kāi)關(guān)穩壓器。此外，可以簡(jiǎn)化變壓器設計及使用更小的次級端二極管。對于電表等應用而言這一點(diǎn)尤為關(guān)鍵，因為這類(lèi)應用要求在嚴苛工作環(huán)境下提供超過(guò)10年的連續服務(wù)。