開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中整流、PFC及隔離技術(shù)解析

什么是電源?電源是將來(lái)自電源的能量轉(zhuǎn)換成為負(fù)載供電所需的電壓值，比如電機(jī)或電子設(shè)備。電源主要有兩種設(shè)計(jì)：線性電源和開(kāi)關(guān)電源。

線性電源：線性電源設(shè)計(jì)使用變壓器降低電壓。然后將電壓整流并轉(zhuǎn)換為直流電壓，然后對(duì)其進(jìn)行濾波以提高波形質(zhì)量。線性電源使用線性調(diào)節(jié)器在輸出端保持恒定的電壓。這些線性調(diào)節(jié)器以熱量的形式消散額外的能量。

開(kāi)關(guān)電源：開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)是一種較新的方法，旨在解決線性電源的諸多問(wèn)題，包括變壓器尺寸和電壓調(diào)節(jié)。在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，輸入電壓不再降低，而是在輸入端進(jìn)行整流和濾波。然后電壓通過(guò)斬波器，再將其轉(zhuǎn)換成高頻脈沖串。在電壓達(dá)到輸出之前，它會(huì)被再次過(guò)濾和整流。

開(kāi)關(guān)電源是如何工作的?多年來(lái)，線性AC/DC電源已經(jīng)成為主流，將電網(wǎng)中的交流電源轉(zhuǎn)換為運(yùn)行家用電器或照明設(shè)備的直流電壓。大功率應(yīng)用對(duì)小型電源的需求，意味著線性電源已主要用于特定的工業(yè)和醫(yī)療用途，在這些領(lǐng)域由于其低噪聲而仍然需要它們。但由于開(kāi)關(guān)電源體積更小，效率更高，而且能夠處理高功率，所以已經(jīng)取代了開(kāi)關(guān)電源。圖1介紹了開(kāi)關(guān)電源中從交流(AC)到直流(DC)的一般過(guò)程。

圖1：隔離開(kāi)關(guān)式AC/DC電源

輸入整流是將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓的第一步。人們普遍認(rèn)為直流電壓是一條筆直的、不動(dòng)搖的恒壓線，就像從電池里出來(lái)的那種。然而，定義直流電的是電荷的單向流動(dòng)。這意味著電壓流向相同，但不一定是恒定的。正弦波是交流電(AC)最典型的波形，前半個(gè)周期為正，其余周期為負(fù)。如果反向或消除負(fù)半周期，則電流停止交替，變成直流電。這可以通過(guò)一個(gè)叫做矯正的過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。整流可以通過(guò)使用無(wú)源半橋整流器來(lái)實(shí)現(xiàn)，用二極管消除正弦波的負(fù)半部分(見(jiàn)圖2)。二極管允許電流在正半波期間流過(guò)，但當(dāng)電流反向流動(dòng)時(shí)，二極管會(huì)阻斷電流方向。

圖2：半橋整流器

整流后，產(chǎn)生的正弦波平均功率較低，不能有效地為設(shè)備供電。一個(gè)更有效的方法是改變負(fù)半波的極性并使其變成正電壓。這種方法被稱為全波整流，它需要四個(gè)二極管配置成一個(gè)電橋(見(jiàn)圖3)。無(wú)論輸入電壓如何，這種配置都能保持穩(wěn)定的電流流向極性。

圖3：全橋整流器

全整流波的平均輸出電壓比半橋整流器的高，但離為電子設(shè)備供電所需的恒定直流波形仍有很大差距。雖然這是一個(gè)直流波，但由于電壓波形，供電是低效的，因?yàn)殡妷翰ǖ闹底兓浅？旌皖l繁。這種周期性的直流電壓變化被稱為紋波。減少或消除紋波是一個(gè)有效的電源供應(yīng)的關(guān)鍵。減少紋波最簡(jiǎn)單和最常用的方法是在整流器輸出端使用一個(gè)大電容器，稱為儲(chǔ)能電容器或平滑濾波器(見(jiàn)圖4)。電容器在電壓峰值時(shí)存儲(chǔ)電壓，然后向負(fù)載提供電流，直到其電壓小于現(xiàn)在上升的整流電壓波。得到的波形更接近所需的形狀，可以認(rèn)為是沒(méi)有交流分量的直流電壓。這個(gè)最終的電壓波形現(xiàn)在可以用來(lái)給直流電供電設(shè)備。

圖4：帶平滑濾波器的全橋整流器

無(wú)源整流使用半導(dǎo)體二極管作為不受控制的開(kāi)關(guān)，是整流交流波最簡(jiǎn)單的方法，但不是最有效的方法。二極管是相對(duì)有效的開(kāi)關(guān);它們可以以最小的功率損耗快速打開(kāi)和關(guān)閉。半導(dǎo)體二極管的唯一問(wèn)題是它們的正向偏置電壓降為0.5V到1V，這會(huì)降低效率。有源整流用可控開(kāi)關(guān)代替二極管，如MOSFET或BJT晶體管(見(jiàn)圖5)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)有兩個(gè)：首先，基于晶體管的整流器消除了與半導(dǎo)體二極管相關(guān)的0.5V到1V的固定電壓降，因?yàn)樗鼈兊?a target="_blank">電阻可以很小，因此電壓降也很小。第二，晶體管是可控開(kāi)關(guān)，這意味著開(kāi)關(guān)頻率可以控制，從而得到優(yōu)化。缺點(diǎn)是，有源整流器需要更復(fù)雜的控制電路來(lái)達(dá)到其目的，這就需要額外的元件，從而使它們變得更貴。

圖5：全橋有源整流器

功率因數(shù)校正(PFC)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中的第二個(gè)階段是功率因數(shù)校正(PFC)。功率因數(shù)校正電路與交流電源到直流電源的實(shí)際轉(zhuǎn)換關(guān)系不大，但卻是大多數(shù)商用電源的關(guān)鍵部件。

圖6：整流器輸出的電壓和電流波形

如果你觀察整流器電容器的電流波形(見(jiàn)圖6)，你會(huì)看到充電電流在很短的時(shí)間內(nèi)流過(guò)電容器，特別是電容器輸入電壓大于電容器電荷到整流信號(hào)的峰值。這會(huì)在電容器中產(chǎn)生一系列短電流尖峰，因此不僅對(duì)電源造成嚴(yán)重問(wèn)題，而且由于這些電流尖峰注入電網(wǎng)的諧波量很大，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)都是一個(gè)重大問(wèn)題。諧波會(huì)產(chǎn)生失真，可能會(huì)影響連接到電網(wǎng)的其他電源和設(shè)備。在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，功率因數(shù)校正電路的目標(biāo)是通過(guò)濾除這些諧波來(lái)最小化影響。為此，有兩種選擇：有源和無(wú)源功率因數(shù)校正。

無(wú)源PFC電路是由無(wú)源低通濾波器組成的，它試圖消除高次諧波。然而，電源，特別是在大功率應(yīng)用中，僅僅使用無(wú)源PFC無(wú)法滿足諧波噪聲的國(guó)際規(guī)定，必須采用有源功率校正。

有源PFC改變電流波形，使之跟隨電壓變化。諧波被移到更高的頻率，使其更容易濾除。在這種情況下，最廣泛使用的電路是升壓變換器，也稱為升壓變換器。

隔離：隔離開(kāi)關(guān)電源與非隔離開(kāi)關(guān)電源。無(wú)論功率因數(shù)校正電路是否存在，功率轉(zhuǎn)換的最后一步是將整流后的直流電壓逐步降低到適合預(yù)期應(yīng)用的幅度。因?yàn)檩斎氲慕涣鞑ㄐ我呀?jīng)在輸入端整流，所以直流電壓輸出將會(huì)很高：如果沒(méi)有功率因數(shù)校正，整流器的輸出直流電壓將為320V左右。如果有有源功率因數(shù)校正電路，升壓變換器的輸出將是穩(wěn)定的400V或更高。這兩種情況都是極其危險(xiǎn)的，對(duì)于通常需要顯著降低電壓的大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)毫無(wú)用處。表1顯示了在選擇正確的隔離拓?fù)鋾r(shí)應(yīng)該考慮的幾個(gè)轉(zhuǎn)換器和應(yīng)用方面。

在選擇使用哪種降壓方法時(shí)，主要考慮的是安全性。電源在輸入端與交流電源相連，這意味著，如果輸出端有電流泄漏，可能會(huì)嚴(yán)重傷害，并損壞任何負(fù)載設(shè)備。安全隔離可以通過(guò)磁隔離輸入和輸出電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。隔離AC/DC電源中使用最廣泛的電路是反激變換器和諧振LLC變換器，因?yàn)樗鼈儼娏鞲綦x或磁隔離(見(jiàn)圖7)。

圖7：反激變換器(左)和LLC諧振變換器(右)

使用變壓器意味著信號(hào)不能是平坦的直流電壓。相反，為了通過(guò)感應(yīng)耦合將能量從變壓器的一側(cè)傳輸?shù)搅硪粋?cè)，必須存在電壓變化，從而改變電流。因此，反激式和LLC變換器都將輸入直流電壓“斬波”成方波，方波可以通過(guò)變壓器降壓。然后輸出波形必須在輸出前再次校正。

反激變換器主要用于低功耗應(yīng)用。反激變換器是一種隔離的buck-boost變換器，這意味著輸出電壓可以高于輸入電壓，也可以低于輸入電壓，這取決于變壓器在一次繞組和二次繞組之間的匝數(shù)比。反激變換器的工作原理與升壓變換器非常相似。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，初級(jí)線圈由輸入端充電，產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，初級(jí)電感器中的電荷轉(zhuǎn)移到次級(jí)繞組，次級(jí)繞組向電路注入電流，為負(fù)載供電。反激式變換器相對(duì)容易設(shè)計(jì)，并且比其他變換器需要更少的元件，但是效率不高，因?yàn)閺?qiáng)制晶體管任意打開(kāi)和關(guān)閉的硬開(kāi)關(guān)會(huì)造成很大的損耗(見(jiàn)圖8)。特別是在大功率應(yīng)用中，這對(duì)晶體管的生命周期非常不利，并產(chǎn)生顯著的功率損耗，這就是為什么反激變換器更適合低功率應(yīng)用，通常高達(dá)100W。

諧振LLC轉(zhuǎn)換器在大功率應(yīng)用中更為常用。這些電路也通過(guò)變壓器進(jìn)行磁隔離。LLC變換器是基于諧振原理，即當(dāng)它與濾波器的固有頻率相匹配時(shí)，對(duì)某一頻率的放大。在這種情況下，LLC轉(zhuǎn)換器的諧振頻率由串聯(lián)的電感器和電容器(LC濾波器)和變壓器初級(jí)電感器(L)的附加效應(yīng)而定，因此命名LLC轉(zhuǎn)換器。LLC諧振變換器是大功率應(yīng)用的首選，因?yàn)樗鼈兛梢援a(chǎn)生零電流開(kāi)關(guān)，也稱為軟開(kāi)關(guān)(見(jiàn)圖8)。這種開(kāi)關(guān)方法在電路中的電流接近零時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)，最大限度地減少晶體管的開(kāi)關(guān)損耗，從而減少電磁干擾，提高效率。不幸的是，這種性能的提高是有代價(jià)的：很難設(shè)計(jì)一個(gè)LLC諧振變換器，它可以實(shí)現(xiàn)大范圍負(fù)載的軟開(kāi)關(guān)。為此，MPS開(kāi)發(fā)了一種特殊的LLC設(shè)計(jì)工具，以確保轉(zhuǎn)換器在正確的諧振狀態(tài)下工作，以實(shí)現(xiàn)最佳開(kāi)關(guān)效率。

圖8：硬開(kāi)關(guān)(左)與軟開(kāi)關(guān)(右)損耗

在本文的前面，我們討論了為什么AC/DC電源的限制之一是輸入變壓器的尺寸和重量，由于工作頻率較低(50Hz)，為了避免飽和，需要使用大電感器和磁芯。在開(kāi)關(guān)電源中，電壓的振蕩頻率要大得多(至少在20kHz以上)。這意味著降壓變壓器可以更小，因?yàn)楦哳l信號(hào)在線性變壓器中產(chǎn)生較少的磁損耗。輸入變壓器的尺寸減小使得系統(tǒng)小型化。有些直流設(shè)備不需要變壓器提供的隔離。

編輯：hfy