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减少升压电容器中的高频RMS电流来提高效率

已有 276 次阅读2015-1-14 15:26

一般,我们需要使用一个双级功率系统的电源,来满足80+计划功率因数要求和 EN61000-3-2谐波电流要求,其具体如下: 

    1. 一个功率因数校正(PFC)升压预稳压器(第1级),用于整形输入电流和提供高功率因数。 

    2. 由于PFC升压电压非常高,因此要求一个次级(第2级)将这种高升压电压调低至可用输出电平。 

    这种方法存在的主要问题是,在功率转换器前端添加一个次级,降低了电源的效率。这让其很难达到80+电源计划的高效率要求。 

    为了消除给离线功率转换器添加PFC前端级所产生的损耗,一些设计人员使用了各种各样的PFC拓扑结构,例如:可降低开关损耗的PFC升压跟随器和/或能够减少传导损耗的交错式PFC。 

    降低损耗的另一种方法是,设计一个使用前沿脉宽调制(PWM)的主级(第1级)和使用传统后沿调制的次级(第2级)。本文将为您介绍什么是前沿调制,以及它是如何通过减少升压电容器(IC)中的高频RMS电流来提高效率的。 

    后沿与前沿脉宽调制 

    后沿脉宽调制比较器通过对比锯齿电压波形(OSC)和误差电压(ERR)来控制功率转换器占空比(D)。一般,误差电压由一个反馈运算放大器控制。在后沿脉宽调制中,OSC引脚被馈送给脉宽调制比较器的负输入,而误差电压则馈送至脉宽调制比较器的非反相输入。脉宽调制比较器的输出用于控制功率转换器(QA)的FET栅极。该栅极驱动导通信号与OSC信号波谷同步。在这种配置结构中,FET栅极驱动的后沿经过调制,以达到功率转换器占空比 (D)。该后沿为FET关断时(请参见图 1)。 

     

    图1:使用功率因数校正的双级离线功率转换器。 

    请注意,在脉宽调制控制器中,在每个脉宽调制周期之前添加一个人为停滞时间,其在每个脉宽调制周期开始以前关闭功率级开关。必须使用停滞时间来防止出现100%占空比,从而防止出现磁饱和。需要注意的是,为了简便起见,图1并未显示停滞时间。 

    前沿调制脉宽调制稍微不同于后沿调制。OSC信号馈送至非反相脉宽调制比较器输入,而误差电压则馈送给反相引脚。FET (QB) 关闭与OSC峰值电压和前沿同步,当FET导通时对前沿进行调制以达到占空比(请参见图 2)。 

     

    图2:后沿与前沿PWM。 

    前后沿调制一起使用的好处 

    首先,我们来看使用后沿调制控制图1所示功率级Q1和Q2时PFC升压电容器电流(IC)。请注意,我们将PFC控制电压(ERR1)与振荡器斜率(OSC)进行比较,以控制PFC FET(Q1) 的导通和关断时间。另外,DC/DC转换器(第2级)控制电压(ERR2)与振荡器斜线比较,以控制FET Q2的导通和关断时间。 

    在振荡器运行初期正常工作情况下,两个FET同时导通(t1,案例 A)。在这段时间内,PFC 升压电容器(CBOOST)必须对进入第2个功率级的所有电流(IT1)提供支持。在这种配置结构中,在FET开关期间,有一段时间FET Q1导通而Q2为关断,这时PFC升压电感(L1)通电,而功率级2的初级线圈不要求任何电流。这时,没有电流(IC)进入升压电容器。所有电感电流均流经晶体管Q1。 

    同样,有一段时间两个FET Q1和Q2均为关断。这时,CBOOST传导所有升压电感电流,其流经二极管D1(ID1)。请注意,图3为一张随意照下来的图片。正常工作情况下,第1级的占空比随线压而变化,以保持PFC升压电压。功率级2的占空比在正常工作时保持恒定不变,因为输入/输出电压为固定。 

    其次,我们通过控制前沿调制控制的FET Q1和后沿调制的FET Q2,研究其对于升压电容器电流(IC)的影响(图3“案例B”)。在这种评估过程中,FET Q1和Q2的导通时间和占空比与“案例A”情况相同。 

    在这种配置结构中,FET Q2在振荡器谷底导通,并根据PWM比较器电压水平关断。FET Q1根据前沿PWM比较器导通,并在振荡器峰值时关断。相

比使用前沿调制的两个功率级,利用前沿/后沿PWM调制组合法错开安排FET的首次导通,可以缩短FET Q1和Q2同时导通的时间(t1,“案例B”)。 

    与“案例A”情况类似,有一段时间(t2)Q1导通而Q2关断,并且没有电流进出升压电容器 (IC)。同样,有一段时间(t3,“案例B”)两个FET均关断,并且需要通过CBOOST吸收ID1。在“案例B”中,有一段时间FET Q2导通而Q1关断。这时,进入升压电容器的电流为ID1,其小于IT1(t4,“案例B”)。 

    相比两个功率级都使用后沿调制控制,这种使用前沿/后沿调制控制的方法,可以减少FET QA和QB同时导通的时间。它带来更低的升压电容器RMS电流(IC)。 

    相比控制使用后沿调制的两个功率级,这种配置结构中使用的前沿/后沿调制,升压电容器 (IC) RMS电流减少30%。 

    升压电容器中RMS电流的减少,可以降低升压电容器 ESR 损耗,从而提高整体系统效率。


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