基于一種簡(jiǎn)潔的高效率開(kāi)關(guān)電源的研制

全球能源價(jià)格的不斷上漲，使得各行各業(yè)不得不認真考慮節能的問(wèn)題。在各種節能方法中，提高開(kāi)關(guān)電源的效率是一個(gè)重要手段，美國自提出80PLUS計劃后又推出85PLUS、88PLUS計劃，并且在短期內實(shí)施。因此，盡可能提高開(kāi)關(guān)電源的效率是電源行業(yè)不斷追求的目標。

要想提高開(kāi)關(guān)電源效率，首先要清楚影響開(kāi)關(guān)電源的因素。一般來(lái)說(shuō)，反激式及其衍生電路的效率最低，多極變換電路拓撲的效率低于單級變換。因此，在應用中應盡可能不采用上述電路拓撲。

對于正激式功率變換來(lái)說(shuō)，占空比越大相對效率就越高，因此在實(shí)際設計中應選擇盡可能大的占空比，如果占空比接近1則是最理想的。

輸入電壓變化范圍大的開(kāi)關(guān)電源要比輸入電壓變化范圍小的效率低。避免輸入電壓大范圍變化或盡可能的避免不必要的輸入電壓變化裕量是提高開(kāi)關(guān)電源效率的最簡(jiǎn)單方法之一。

隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率得越來(lái)越高，開(kāi)關(guān)損耗已經(jīng)是不可忽視的因素。簡(jiǎn)單的RCD緩沖電路方式是影響效率的重要因素。因此采用軟開(kāi)關(guān)、零電壓開(kāi)關(guān)可以有效地消除開(kāi)關(guān)損耗。

應用400～700V電壓等級的MOSFET，導通損耗可能占總損耗的三分之二。因此設法減小MOSFET的導通電阻可以有效地降低MOSFET的損耗。

基于上述因素，我們提出采用PFC+非穩壓隔離變換器組合獲得高效率開(kāi)關(guān)電源的實(shí)現方法。用MC33368實(shí)現PFC控制，采用IRS2453自振全橋變換器進(jìn)行DC/DC變換。

工作原理簡(jiǎn)述

由于PFC具有穩壓功能，在輸出電壓穩定度不是很高的應用中，隔離變換可以不采用常規的PWM控制方式，而采用“100%”占空比的非PWM控制方式，這樣就可以將效率提高2%甚至更多。輸出電壓的穩定可以由PFC環(huán)節的穩壓功能完成，其原理框圖如圖1所示。

圖1 采用PFC+非穩壓隔離變換器組合的原理框圖

這樣就能將非穩壓隔離變換器看成PFC的一部分，而PFC則變成隔離型PFC。由于隔離型PFC具有隔離功能、電壓關(guān)閉功能和穩壓功能，就使其成為真正意義上的隔離型開(kāi)關(guān)穩壓電源。

采用非PWM工作方式所得到的最大占空比可以使全橋電路中的開(kāi)關(guān)管在“零電壓”下導通，即實(shí)現“零電壓開(kāi)關(guān)”。這樣能提高電路工作的可靠性，進(jìn)一步減小損耗，提高效率。

IRS2453功能簡(jiǎn)介

IRS2453自振全橋變換器是美國國際整流器公司在自振高壓橋式驅動(dòng)器IR2153的基礎上發(fā)展起來(lái)的。

IRS2453自振全橋驅動(dòng)器具有較高的工作電壓（600V），內部有一個(gè)類(lèi)似于555定時(shí)器的頻率可設置的振蕩器，全橋柵極驅動(dòng)可保證其精確的死區時(shí)間。在此芯片內部，包含MOSFET組成的全橋電路。這樣的構造，一方面節省了外部器件，降低了成本；另一方面，節省了空間，使整個(gè)電源的體積縮小。更重要的是，在芯片內部，開(kāi)關(guān)管工作的占空比固定。在該全橋電路前端結構中，各開(kāi)關(guān)管的占空比可接近50%，這使得全橋電路中開(kāi)關(guān)管的占空比可達到95%，甚至更高。而通常情況下，開(kāi)關(guān)管的最大占空比小于80%。這樣，全橋電路中開(kāi)關(guān)管的占空比上升，導通損耗下降。而且，本設計屬不調節脈寬形式，效率得到了很大程度的提高。IRS2453自振全橋驅動(dòng)器原理框圖如圖2所示。

圖2 IRS2453的原理框圖

完整電路分析與電路設計要點(diǎn)

整個(gè)電源的完整電路原理圖及詳細參數如圖3所示。整個(gè)電路由采用MC33368構成的PFC電路單元與用IRS2453構成的非穩壓隔離型變換器組合而成。

圖3 采用PFC+非穩壓隔離變換器組合的電路原理圖

之所以選用IRS2453作為非穩壓隔離型變換器的控制芯片，主要是因為非穩壓隔離型變換器不需要PWM功能，但是需要時(shí)鐘來(lái)獲得所需要的輸出脈沖，這就是IRS2453自身帶有振蕩器的原因。IRS2453自身具有全橋驅動(dòng)能，其二橋式變換器需要高、低邊驅動(dòng)，全橋則需要兩路高端驅動(dòng)電路。由于IRS2453具有上述功能，用來(lái)作為非穩壓隔離型變換器的驅動(dòng)控制芯片是最佳的。

由于選擇大占空比的工作狀態(tài)，在常規條件下纏繞的變壓器在此時(shí)的效率達到最高。

測試結果

從電路圖上可以看出，在本設計中，市電經(jīng)過(guò)功率因數校正電路后，即得到了穩定的直流輸出電壓，這樣就省略了電路的穩壓調節過(guò)程，在一定程度上提高了電源的效率；另外，IRS2453自振全橋變換器的輸出占空比是一定的，不需要進(jìn)行脈寬調節，這使得電源效率在原有基礎上又得到了進(jìn)一步的提高。產(chǎn)品的詳細參數如下：

● 體積：100mm×60mm×40mm

● 開(kāi)關(guān)管漏/源電壓測試（見(jiàn)圖4）

圖4 開(kāi)關(guān)管的源漏極電壓波形

● 滿(mǎn)負載下輸出紋波電壓測試（見(jiàn)圖5）

圖5 中等負載下的輸出紋波電壓

● 輸入電流與諧波分析（見(jiàn)圖6）

圖6 輸入電流與諧波分析

整機效率測試的結果如表1所示。

從上述分析可以看到，采用本文的技術(shù)方案可以容易得提升開(kāi)關(guān)電源的高效率，電源的功率因數計高次諧波參數完全可以滿(mǎn)足要求。

結語(yǔ)

本設計是一種簡(jiǎn)單的利用IRS2453芯片實(shí)現的高效率功率變換器，成本低、體積小。經(jīng)測試、計算得，本整機的效率為89.5%。其輸出24V直流電壓，具有廣泛的應用價(jià)值。如果仔細雕鑿可以使效率在25~100%負載條件下超過(guò)90%，成為真正的高效率開(kāi)關(guān)電源。