通用開(kāi)關(guān)功率轉換器的電能回收電路設計方案

　　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，是現代高能效開(kāi)關(guān)電源面臨的主要挑戰。開(kāi)關(guān)電源的設計目標是降低功率的通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗。

　　不顯著(zhù)影響成本和功率密度而達到優(yōu)化功率通態(tài)損耗的目的是很難的，因為實(shí)現這個(gè)目標需要更多的材料，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)半導體技術(shù)的動(dòng)態(tài)特性或電路拓撲。

　　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)，如臺式機電腦和服務(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)預期。

　　1.1. 二極管導通損耗

　　從200 W到2000W之間的大眾市場(chǎng)電源通常需要一個(gè)連續導通（CCM）的功率因數校正器（PFC）。要想提高功率轉換器的功率密度，就應該提高開(kāi)關(guān)頻率。然而，功率因數校正器的主要開(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(zhù)更高的損耗。因為PN二極管產(chǎn)生的電壓電流交叉區損耗和反向恢復損耗［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)的導通階段。

　　圖1：導通損耗與二極管類(lèi)型和電流軟開(kāi)關(guān)法對比

　　為降低PN二極管整流器引起的功率損耗，最近多家半導體廠(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。盡管半導體廠(chǎng)商付出努力，但是仍然不能消除在晶體管導通過(guò)程中發(fā)生的電流電壓交叉區，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電流沒(méi)有提高。因此，開(kāi)關(guān)時(shí)間變小，導通功率損耗也隨著(zhù)變小，但是不能徹底消失。今天，為遵守EMI電磁干擾防護標準，在功率因數校正器設計內，碳化硅二極管導通dI/dt最大值約1000 A/μs，而傳統的PN二極管的dI/dt值為 300 A/μs。

　　1.2.軟導通法

　　另一種降低導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通過(guò)程中發(fā)生的電流/電流交叉區和PN二極管反向恢復電流效應，如圖1.3所示。電流軟開(kāi)關(guān)解決方案不是新技術(shù)，但是必須達到相關(guān)的技術(shù)標準：

　　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)損恢復線(xiàn)圈貯存的感應能量。

　　3.抑制半導體器件上的任何過(guò)壓和過(guò)流應力。

　　4.當增加任何器件時(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)：有源恢復電路和無(wú)源恢復電路。

　　1.3.有源恢復電路

　　在有源恢復電路中，零壓轉換（ZVT）電路［3］是設計人員非常熟悉的電路，如圖2所示。 這種電路可以根除導通功率損耗和關(guān)斷功率損耗。

　　圖2： ZVT：有源恢復電路

　　從理論上講，因為所有的開(kāi)關(guān)損耗都被消除，零壓轉換（ZVT）是功率因數校正（PFC）應用最理想的拓撲。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)際應用中，升壓二極管DB的反向恢復電流對零壓轉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。因為小線(xiàn)圈L上的重置電流，D2 的反向恢復電流包含高應力電壓和寄生阻尼振蕩。最后，PN二極管的動(dòng)態(tài)特性影響零壓轉換（ZVT）電路的總體能效，因為這個(gè)晶體管的導通時(shí)間應該增加，而且為降低半導體器件遭受的電應力，必須增加一個(gè)有損緩沖器。

　　從成本上看，零壓轉換（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)應用。因此，無(wú)源恢復電路更有吸引力。

　　1.4.無(wú)源恢復電路

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

　　圖3：無(wú)源恢復電路

　　當外部條件不變時(shí)，這個(gè)電路工作良好。不過(guò)，在功率因數校正應用中設計這種電路難度很大，這是因為小線(xiàn)圈的重置電流受到升壓二極管的反向恢復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，不幸地是因為技術(shù)原因，這種電路在功率因數校正應用中不可行。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準的前提下，通過(guò)使用電流緩沖法恢復小線(xiàn)圈L的能量是目前無(wú)法克服的技術(shù)挑戰。

　　2.BC2：能量恢復電路

　　這個(gè)創(chuàng )新的電路［1］是按照軟開(kāi)關(guān)標準設計的，如圖4所示，為恢復小線(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：新型能量恢復電路：BC2

　　2.1.概念描述

　　當晶體管導通時(shí)，線(xiàn)圈NS1 在主升壓線(xiàn)圈內恢復升壓二極管DB的反向恢復電流IRM 。因為交流輸入電壓調制LB電壓，所以它也調制NS1上的反射電壓。此外，這個(gè)輸入電壓還調制升壓二極管電流IDB及其相關(guān)的反向恢復電流IRM。這些綜合調制過(guò)程讓流經(jīng)小線(xiàn)圈L的額外的反向恢復電流 IRM 在線(xiàn)圈NS1 內重置，即便在最?lèi)毫拥那闆r下也是如此。當晶體管關(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關(guān)系，當交流線(xiàn)處于低壓時(shí)，反射電壓達到最大值，與小線(xiàn)圈L的最大電流值對應。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，即便在最?lèi)毫拥那闆r下也是如此。當dI/dt 斜率（大約10 A/μs）較低時(shí)，例如，在開(kāi)關(guān)轉換器的斷續模式下，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電路的特性與傳統升壓轉換器的特性相同。升壓二極管DB 導通，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，達到輸入電流I0和二極管反向恢復電流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，因為VNS2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)，在低輸出負荷時(shí)，可以節省電能，利用下面的公式可以算出節省的電能：

　　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，過(guò)流使DB 結電容線(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。<