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一種無APFC的全壓開關電源設計方案

2022-09-15
221次

1.引言

  相對于傳統線性電源,開關電源擁有體積小、重量輕、效率高等方生俱來的優勢。因此近些年,研究開關電源的人越來越多,相應的技術也層出不窮。研究成本低廉、性能可靠、兼容性強的開關電源成為眾多電源設計工程師不斷努力的目標。本文針對大功率開關電源提出一種無APFC的低成本全電壓設計方案,該方案使用自動倍壓方式有效減小火牛直流輸入電壓的范圍,從而大大降低電源成本。

  2.全壓電源

  統計全世界交流電壓,可以將電壓分為:

  日本為代表的100V,美國為代表的120V,墨西哥為代表的127V,中國為代表的220V,歐洲多為230V,澳大利亞240V.因此,世界各國電壓分布在100V-127V和220V-240V兩個電壓段。即若能滿足這兩個電壓段要求的開關電源,即可認為是全電壓開關電源。實現全壓的開關電源目前大致可分為:普通無級式、APFC無級式、自動倍壓式。

  2.1 普通無級式

  普通無極開關電源在小功率開關電源中應用非常廣泛。在小于300W的小功率段,設計者通常在兼顧結構和成本的前提下,采用100-240V的全段電壓方案。雖然結構簡單,但對功率器件(如:火牛、開關管、整流管)則提出了較高要求。由于在一定范圍器件參數的提高對于價格并無太大影響,使得在小功率段具備相當的性價比的。隨著功率上升,電源對各部分的功率器件提出了新的要求,這個要求在價格上和技術上都有較大的困難。

  2.2 APFC無級式

  APFC是主動式PFC,使用專用PFC控制器。

  電路功率元件由標準的boost電路組成,通過電壓和電流的雙重反饋,其中電壓位于外環,而電流位于內環。因此,APFC在保證輸出端恒定電壓的同時,使得電流的波形為正弦波。

  APFC基本原理圖

  APFC帶來的好處也是顯而易見:①較大的提高功率因數;②可以兼容輸入100-240V全段電壓;③EMC方面有很好的改善。不足之處:

 ?、袤w積和重量有所增大;②電源成本大概有百分之五十的上升。

  2.3 自動倍壓式

  鑒于手動操作的種種弊端,以及世界各國電壓規律,自動倍壓式在手動倍壓式基礎加以改進,實現了低電壓國家輸入電壓的自動切換。自動倍壓開關可以采用繼電器、MOSFET、IGBT、可控硅。由于該設計應用在50-60Hz的工頻條件下,考慮過零要求,以及生產成本。

  選用可控硅作為開關切換器件??煽毓柙诔杀旧嫌兄鴺O大的優勢,而響應速度又能滿足要求。

  基本自動倍壓全壓電源

  3.系統結構及原理

  電源基本指標:額定輸出1200W,峰值功率2400W;輸入電壓可AC100-127V和220-240V;輸出電壓為DC160V.系統滿足全球電壓兼容的同時,兼具備低于0.3瓦的超低待機功耗能力。

  3.1 系統結構

  整機系統可分為主電源部分用來給功放部分提供電力。輔助電源提供初級控制電路和次級控制電路使用??刂破饔脕韺崿F自動電壓識別及倍壓功能,同時結合MCU實現遙控喚醒系統功能。AC轉DC的整流部分,輔助電源與主電源設計成獨立供電方式。在待機模式中輔助電源脫離主電源整流部分,這樣為低待機功耗提供了硬件基礎。

  案例系統結構

  3.2 主電源

  3.2.1 主電源設計

  主電源采用移相全橋拓撲。全橋電路易于實現大功率的輸出,而移相全橋作為全橋電路的改良版本,在整機效率方面更具備優勢。橋式電路中串入諧振電感,諧振電感與MOS管的寄生輸出電容Coss之間諧振。從而在MOS管開啟之間使得DS端電壓為零,實現零壓開啟。因為實現了MOS管的零壓開啟,降低了驅動電路以及MOS管Qg常數的要求,使得器件成本也隨之降低。使用雙象可控硅作為倍壓開關。單向可控硅可斷開整個主電源的供電。當可控硅完全斷開時,整個主電源電路上所有器件均無電流環路,除去可控硅本身極小的漏電流,主電路無功耗損失。

  主電源結構原理圖


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