摘要

本文闡述一個新穎的簡樸的合用于各類范例硬開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的電能接納電路，這個電路只需利用幾個意法半導體的元器件：一個微型線圈、兩個耦合幫助線圈和兩個優(yōu)化的PN二極管。并且，這個電路完全兼容任何一種PWM節(jié)制器。我們在這里闡述這個本錢最低且能效更高的奇特的電能接納電路的根基設計要領。為了突出這個拓撲的長處，我們在一個90-264 VRMS的通用系列450W硬開關(guān)式功率因數(shù)校正器內(nèi)，把這個電路與8A 碳化硅肖特基二極管舉辦了較量；為了更全面客觀的較量，我們利用了幾個開關(guān)頻率(72kHz、140kHz和200kHz)。較量功效顯示，新電路的能效高于碳化硅肖特基二極管。另外，這個包羅專用二極管和小線圈在內(nèi)的整流級具有很高的本錢效益，切合公共市場的預期。

1.媒介

最大限度地低落功率損耗，在不增加本錢的前提下提高功率密度，是現(xiàn)代高能效開關(guān)電源面對的主要挑戰(zhàn)。開關(guān)電源的設計方針是低落功率的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗。

不顯著影響本錢和功率密度而到達優(yōu)化功率通態(tài)損耗的目標是很難的，因為實現(xiàn)這個方針需要更多的質(zhì)料，譬喻，晶片和銅線面積。與通態(tài)損耗差異，低落功率開關(guān)損耗而不大幅提高電源本錢較量容易做到。低落功率開關(guān)損耗有兩個主要要領：改造半導體技能的動態(tài)特性或電路拓撲。

回收碳化硅和氮化鎵等質(zhì)料的新型二極管可大幅低落開關(guān)損耗。然而，這些新產(chǎn)物的能效本錢比并不合用于公共市場，如臺式機電腦和處事器電源。

本文重點闡述的專利電路[1]回收軟開關(guān)法，能效/本錢/功率密度/EMI比優(yōu)于碳化硅高壓肖特基二極管，因此切合市場預期。

1.1.二極管導通損耗

從200W到2000W之間的公共市場電源凡是需要一個持續(xù)導通（CCM）的功率因數(shù)校正器（PFC）。要想提高功率轉(zhuǎn)換器的功率密度，就應該提高開關(guān)頻率。然而，功率因數(shù)校正器的主要開關(guān)損耗是功率開關(guān)/整流器換向單位的損耗，提高開關(guān)頻率意味著更高的損耗。因為PN二極管發(fā)生的電壓電流交錯區(qū)損耗和反向規(guī)復損耗[2] ，如圖1.1所示，所以，主要功率損耗產(chǎn)生在功率開關(guān)的導通階段。

圖1:導通損耗與二極管范例和電流軟開關(guān)法比擬

為低落PN二極管整流器引起的功率損耗，最近多家半導體廠家推出了回收碳化硅和氮化鎵技能的高壓肖特基二極管。盡量半導體廠商支付盡力，可是仍然不能消除在晶體管導通進程中產(chǎn)生的電流電壓交錯區(qū)，如圖1.2所示的。與PN二極管差異，碳化硅二極管可以或許提高dI/dt斜率，而二極管的反向規(guī)復電流沒有提高。因此，開關(guān)時間變小，導通功率損耗也跟著變小，可是不能徹底消失。本日，為遵守EMI電磁滋擾防護尺度，在功率因數(shù)校正器設計內(nèi)，碳化硅二極管導通dI/dt最大值約1000A/μs，而傳統(tǒng)的PN二極管的dI/dt值為 300A/μs。

1.2.軟導通法

另一種低落導通損耗的要領是利用一個軟開關(guān)法，增加一個小線圈L來節(jié)制dI/dt斜率。該辦理方案消除了在晶體管導通進程中產(chǎn)生的電流/電流交錯區(qū)和PN二極管反向規(guī)復電流效應，如圖1.3所示。電流軟開關(guān)辦理方案不是新技能，可是必需到達相關(guān)的技能尺度：

1.在每個開關(guān)周期重置線圈L的電流（不管電流、輸入和輸出電壓如何變革）。

2.無損規(guī)復線圈貯存的感到能量。

3.抑制半導體器件上的任何過壓和過流應力。

4.當增加任何器件時保持本錢不增加。

5.保持相似的功率密度。

許多電路都可以分為兩大類：有源規(guī)復電路和無源規(guī)復電路。

1.3.有源規(guī)復電路

在有源規(guī)復電路中，零壓轉(zhuǎn)換(ZVT)電路[3]是設計人員很是熟悉的電路，如圖2所示。 這種電路可以革除導通功率損耗和關(guān)斷功率損耗。

圖2: ZVT：有源規(guī)復電路

從理論上講，因為所有的開關(guān)損耗都被消除，零壓轉(zhuǎn)換(ZVT)是功率因數(shù)校正（PFC）應用最抱負的拓撲。另外，不管輸入和輸出功率如何變革，這種電路都能正常事情。然而，在實際應用中，升壓二極管DB的反向規(guī)復電流對零壓轉(zhuǎn)換電路的影響很是明明，致使電感和最小占空比都受到必然水平的限制。因為小線圈L上的重置電流，D2 的反向規(guī)復電流包括高應力電壓和寄生阻尼振蕩。最后，PN二極管的動態(tài)特性影響零壓轉(zhuǎn)換(ZVT)電路的總體能效，因為這個晶體管的導通時間應該增加，并且為低落半導體器件蒙受的電應力，必需增加一個有損緩沖器。

從本錢上看，零壓轉(zhuǎn)換(ZVT)電路需要增加一個功率MOSFET開關(guān)管和一個專用的PWM節(jié)制器。固然市面有多種差異的零壓轉(zhuǎn)換(ZVT)電路，可是仍然無法降服上述技能困難，并且奮發(fā)的本錢基礎不適合公共市場應用。因此，無源規(guī)復電路更有吸引力。

1.4.無源規(guī)復電路

圖3所示電路是一個很好的無源規(guī)復電路示例[4]；只需另增兩個二極管和一個諧振電容。

圖3:無源規(guī)復電路

當外部條件穩(wěn)定時，這個電路事情精采。不外，在功率因數(shù)校正應用中設計這種電路難度很大，這是因為小線圈的重置電流受到升壓二極管的反向規(guī)復電流和外部電氣條件的限制。

盡量無損無源電路只需很少的元器件，不幸地是因為技能原因，這種電路在功率因數(shù)校正應用中不行行。這個示例表白，固然電流緩沖法已被人們熟知，可是在不影響前文提到的五大尺度的前提下，通過利用電流緩沖律例復小線圈L的能量是今朝無法降服的技能挑戰(zhàn)。

2.BC2:能量規(guī)復電路

這個創(chuàng)新的電路[1]是憑據(jù)軟開關(guān)尺度設計的，如圖4所示，為規(guī)復小線圈L貯存的電能，在升壓線圈LB 四周新增兩個二極管 D1和D2 和兩個幫助線圈NS1和NS2 。

圖4:新型能量規(guī)復電路:BC2

2.1.觀念描寫

當晶體管導通時，線圈NS1 在主升壓線圈內(nèi)規(guī)復升壓二極管DB的反向規(guī)復電流IRM 。因為交換輸入電壓調(diào)制LB 電壓，所以它也調(diào)制NS1上的反射電壓。另外，這個輸入電壓還調(diào)制升壓二極管電流IDB及其相關(guān)的反向規(guī)復電流IRM。這些綜合調(diào)制進程讓流經(jīng)小線圈L的特另外反向規(guī)復電流 IRM 在線圈NS1 內(nèi)重置，即便在最惡劣的環(huán)境下也是如此。當晶體管關(guān)斷時，幫助線圈NS2把小線圈L的特別電流注入到輸出電容。線圈NS2 上的反射電壓與輸入電壓是一種函數(shù)干系，當交換線處于低壓時，反射電壓到達最大值，與小線圈L的最大電流值對應。這些綜合變革使流經(jīng)小線圈L的電暢通過二極管D2 消失在體電容內(nèi)，即便在最惡劣的環(huán)境下也是如此。當dI/dt 斜率(約莫10A/μs)較低時，譬喻，在開關(guān)轉(zhuǎn)換器的斷續(xù)模式下，這兩個附加線圈NS1和NS2 用于關(guān)斷二極管D1 和D2; 二極管的反向規(guī)復電流不會影響電路特性。我們可以說，這個觀念“在電路內(nèi)接納電流”，因此稱之為BC2。

2.2.相位時序描寫

變壓比m1 和m2 是線圈NS1和NS2 別離與NP的比值。

相位 [ t0前]

在t0前，BC2電路的特性與傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器的特性溝通。升壓二極管DB 導通，通過體電容器發(fā)射主線圈能量。

相位 [t0, t1]

在t0時，功率MOSFET導通，DB 的電流便是I0。在t0+時，電流軟開關(guān)啟動，即在零電流時，功率MOSFET的電壓降至0V，無開關(guān)損耗。在t0后，流經(jīng)小線圈L的電流線性升高，到達輸入電流I0和二極管反向規(guī)復電流IRM的總合為止，而流經(jīng)DB 的電流線性降至-IRM。

圖5真實地描寫了這些電流的變革，并思量到了m2 變壓比。下面是晶體管TR和升壓二極管DB的dI/dt簡化表達式 :