如何實(shí)現(xiàn)高功率密度的工業(yè)電源

　　圖3中，綠色曲線的較厚區(qū)域代表電流紋波，PFC IC在峰值輸入電壓下消耗電流較多，過(guò)零時(shí)沒(méi)有電流。粉色曲線代表整流器輸入電壓，藍(lán)色曲線為輸出電壓。

圖3 CCM PFC的行為
　　LLC拓?fù)?p>　　提高電源效率的方法之一是采用零電壓開(kāi)關(guān)拓?fù)洹Ｔ谶@種拓?fù)渲?，電路中?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/電源">電源開(kāi)關(guān)在電壓極低時(shí)導(dǎo)通。對(duì)于鉗位感應(yīng)開(kāi)關(guān)MOSFET，導(dǎo)通損耗PON LOSS可由下式粗略求得：

　　IL為流經(jīng)MOSFET的負(fù)載電流，VDS(SW)為MOSFET導(dǎo)通前的漏源電壓，tON為導(dǎo)通時(shí)間，而fSW 則為開(kāi)關(guān)頻率。

　　在硬開(kāi)關(guān)拓?fù)渲校琕DS(SW)是總線電壓，對(duì)帶有PFC前端級(jí)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)一般約為400V。對(duì)于零電壓開(kāi)關(guān)，該電壓被降至MOSFET二極管的正向電壓降，在1V左右，從而極大地減小了導(dǎo)通開(kāi)關(guān)損耗。

　　圖4所示為L(zhǎng)LC諧振轉(zhuǎn)換器的模塊示意圖。其核心組件是諧振網(wǎng)絡(luò)，在輸入端電壓波形和流入輸入端的電流之間產(chǎn)生相位滯后，加載在輸入端的電壓波形是方波，利用半橋或全橋電路很容易就可以從PFC輸出電壓中產(chǎn)生。

圖4 LLC諧振轉(zhuǎn)換器模塊示意圖和零電壓開(kāi)關(guān)波形

　　如果忽略橋式電路中死區(qū)時(shí)間效應(yīng)以及更高階諧波的出現(xiàn)，那么流入諧振網(wǎng)絡(luò)的電流可近似表示為正弦波。由于流入諧振電路的電流滯后于電壓基波，當(dāng)MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電流從兩個(gè)方向流入，如圖4所示。MOSFET在電流流經(jīng)體二極管時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)致“零”電壓開(kāi)關(guān)。這種方法帶來(lái)的一個(gè)額外好處是導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的EMI較低，這是因?yàn)楦遜v/dt和di/dt轉(zhuǎn)換時(shí)間要短得多，而且通常沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用中不可避免的反向恢復(fù)效應(yīng)。

　　由于諧振電路的輸出是周期性的，因此需要對(duì)之進(jìn)行整流。這可以采用如圖4所示的全波整流器或一個(gè)帶中心抽頭（centre-tap）的整流器來(lái)完成。

　　最后，AC-DC電源中的諧振網(wǎng)絡(luò)基本上都會(huì)采用一個(gè)變壓器。該變壓器執(zhí)行兩項(xiàng)任務(wù)：其一是提供初級(jí)端和次級(jí)端之間必需的安全隔離；其二是通過(guò)它的匝數(shù)比控制電源的總體電壓轉(zhuǎn)換比率。

　　為了避免Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)，需要一定的死區(qū)時(shí)間。以Q1的關(guān)斷波形為例。流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流很大，接近峰值電流。關(guān)斷期間的電壓擺幅為滿總線電壓，因此關(guān)斷步驟是無(wú)損耗的。

　　要確保Q2的零電壓開(kāi)關(guān)，Q1的漏源電容完全充電十分重要，這意味著充電時(shí)間不應(yīng)該超過(guò)死區(qū)時(shí)間。若總線電壓為VBUS，開(kāi)關(guān)時(shí)電流為ISW，有效漏源電容為CDSeff，則電容的充電時(shí)間tSW可由下式計(jì)算出：

　　VBUS由設(shè)計(jì)條件事先確定。如果CDSeff為零，Q2就會(huì)如預(yù)期地實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。如果CDSeff非常大，Q2為硬開(kāi)關(guān)工作。輕載下ISW很小，當(dāng)負(fù)載足夠小時(shí)，最終也會(huì)發(fā)生Q2硬開(kāi)關(guān)。

　　有時(shí)可為每個(gè)MOSFET并聯(lián)一個(gè)電容。如果其容量選擇適當(dāng)，就可以降低關(guān)斷損耗，同時(shí)又不影響較輕負(fù)載下的零電壓開(kāi)關(guān)性能。

　　LLC諧振轉(zhuǎn)換器是讓諧振轉(zhuǎn)換器與一個(gè)電感串聯(lián)。這樣一來(lái)，諧振電路中就有兩個(gè)電感和一個(gè)電容，故名為L(zhǎng)-L-C。圖5顯示了一個(gè)實(shí)例電路的增益特性。

圖5 LLC諧振轉(zhuǎn)換器增益曲線實(shí)例