如何实现高功率密度的工业电源

已有 72 次阅读 2011-6-3 14:31 |关键词:工业

如何实现高功率密度的工业电源 工业电源必需满足一些特殊的要求,如低功耗(以减轻机箱冷却方面的负担)、高功率密度(以减小空间要求)、高可靠性和高耐用性,以及其它在普通电源中不常见的勐海普洱特性,如易于并联、遥控和某些过载保护功能等。同时,它对EMI和稳定性的要求也比其它应用更为严格。本文详细分析了一个400W电源的设计实例,阐释了初级端和次级端电源模块的运用,以及其它提高性能的方法。除了在电气方面的改进外,模块还采用统一的外形尺寸,便于实现精细紧凑的机械设计并减少安装和物流成本。事实上,两个模块可具有新春礼品不同额定功率,从而大大缩短了上市时间。功率因数校正级(PFC),加上总线或DC链路电容,对于许多无法单独优化的不同因素来说是十分关键的。现在,大部分电源都采用了有源PFC电路,亦即升压转换器,确保输入电流与输入电压同相,使输入端的正弦波失真最小化,从而减小传导EMI,实现宽输入范围(85VAC ~ 265VAC)。而且,这个升压转换器会根据输入电压调节自己的占空比和输入电流,并把会议礼品总线电容的电压调节到350V ~ 400V。然而,如果升压转换器不是有源的(例如在启动状态),电流可能流经输入整流器,进入升压电感和二极管,再到空的总线电容,最终产生很大的浪涌电流。要避免这一问题,需要额外的限流电路,否则可能触发电网熔丝。在高可靠性或关键任务应用中,由于对保持时间和节电保护的要求更严格,因此总线电容必须增大,这使得玻璃钢井盖浪涌电流变得更大。在某些情况下,需要一个NTC电阻,但在“热”启动(如停电)时,NTC仍然很热,不能提供保护。根据DIN-EN 61204标准,测试方法针对两种情况:70%的额定输入电压,20ms;以及40%的额定输入电压,100mS。第二种情况对没有有源PFC的电源而言可谓相当棘手。脉宽调制级(PWM)是主要的玻璃钢制品转换器级。其中DC电压被斩波为更高频率的方波,因此利用更小的变压器就可以转换到另一个电压级并提供隔离。并非所有的拓扑都采用占空比变化的方波,有些拓扑采用的是变频,还有的则是改变两个脉冲序列之间的相位。这一级主要确定转换器的效率和负载调节。转换器效率十分重要,首先它关系电源的运行成本;其次是必须通过机箱冷却来散除产生的热量;第三是热组件越大,就越昂贵,占用空间也越大。这三个因素与电源的展示设计使用寿命成本关系重大。转换器拓扑的选择对效率和辐射EMI都至关重要,因为功率开关越倾向于硬开关,产生的dI/dt和dV/dt就很大,同时电流和电压就越高,这会导致开关频率谐波的大量产生。在各种拓扑中,谐振或准谐振拓扑都颇具优势但较难设计,尤其是谐振拓扑,很难在宽泛的负载范围上实现。PWM级也是所有必须保护功能的核心所在。在电流模式转换器的情况下,逐周期限流器可保护展览服务电源免受大部分输出问题的伤害,这些问题通常与热关断有关。同步整流级(SR)把变压器产生的交流电压转换回直流电压。由于电压很低,电流往往相当高,故整流器的传导损耗必须最小化。若采用硅PN结二极管可以获得0.7V的正向电压,则采用肖特基二极管可达到0.4V。要获得更低的电压级就需采用MOSFET,这时电压级由导通阻抗RDS(ON) 和输出电流决定,且比前两种情况要低得多。但因为展览服务MOSFET是有源器件,故需要一个适当的栅极驱动信号来完成,如果设计良好,这一级的功耗可大幅度减小,从而进一步提高效率。此外,利用先进的低电感封装技术,设计还可以非常紧凑耐用。如果忽略桥式电路中死区时间效应以及更高阶谐波的出现,那么流入谐振网络的电流可近似表示为正弦波。由于流入谐振电路的电流滞后于电压基波,当 MOSFET处于导通状态时,电流从两个方向流入, MOSFET在展示架电流流经体二极管时导通,导致“零”电压开关。这种方法带来的一个额外好处是导通时产生的EMI较低,这是因为高dv/dt和di/dt转换时间要短得多,而且通常没有标准硬开关应用中不可避免的反向恢复效应。由于谐振电路的输出是周期性的,因此需要对之进行整流。这可以采用全波整流器或一个带中心抽头(centre-tap)的整流器来完成。最后,AC-DC电源中的谐振网络基本上都会采用一个变压器。该展示架变压器执行两项任务:其一是提供初级端和次级端之间必需的安全隔离;其二是通过它的匝数比控制电源的总体电压转换比率。为了避免Q1和Q2同时导通的风险,需要一定的死区时间。以Q1的关断波形为例。流经开关的电流很大,接近峰值电流。关断期间的电压摆幅为满总线电压,因此关断步骤是无损耗的。DCY

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