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为交换式电源供应器设计主动式桥式整流器

时间:2020-09-18 作者:张家瑞、黄正斌、萧益州 阅读:
对于高效率及高功率密度切换式电源器而言,主动式桥式整流器是一种能够直接有效改善全机效率的电路。针对主动式桥式整流器上的功率晶体,依照不同的要求,必须采用适当的浪涌电压及电流解决方案,用以保护在这些条件之下主动式桥式整流器上的功率晶体,即使主动式桥式整流器动作如同桥式整流器一般,考虑浪涌电流能力,桥式整流器仍然必须保留并且与之并联。
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市场上针对各种不同的交换式电源供应器,早已经订定各种国际效率规范及不同负载条件下的效率要求,无法符合效率规范的产品就无法进入市场,如80Plus或是EuP。效率要求能否达到,除了是一种市场进入门坎限制外,更是对产品优劣的分级制度。如表1所示,为80Plus的效率要求。o5KEETC-电子工程专辑

表1: 80Plus 效率要求分级o5KEETC-电子工程专辑

使用传统的功率因数校正器,并采用合适的DC/DC转换器,很容易就能够达到80Plus Titanium的效率要求。要再进一步达到更高的效率,如80Plus Titanium,如果只是单独更换功率晶体或是电感器,并无法达到目的。如图1所示,为1000W交换式电源供应器中主要功率组件损耗分布图,其中可以发现,无论是在85Vac或是230Vac的条件之下,桥式整流器的损耗占功率组件损耗的大部份,因此如果想要在现有的架构内有效改善电源供应器的效率,从桥式整流器下手是最直接有效的方式。o5KEETC-电子工程专辑

图1:功率因数校正电路内功率组件的损耗分布o5KEETC-电子工程专辑

如图2所示,为主动式桥式整流器(Active bridge line rectification)。其实行方法为在功率因数校正器中的桥式整流器上并联额外的功率晶体,利用功率晶体较低的导通电阻,用以降低桥式整流器的导通损耗,达到提高全机效率的目的。对于应用于主动桥式整流器的功率晶体而言,其主要要求为极低的导通电阻,即使在流过大电流的情况下,要有效降低桥式整流器的功率损耗,功率晶体管二端的电压差必须远低于传统桥式整流器的正向导通电压值,才能够使电流尽可能地全部流过功率晶体,达到预期提高效率的目标。o5KEETC-电子工程专辑

图2:主动式桥式整流器o5KEETC-电子工程专辑

1 主动式桥式整流器的控制

1.1 主动桥式整流器的控制概念

主动桥式整流器的控制电路概念简单,只要以市电电压经分压后与一参考电压进行比较,就能够得到对四个功率晶体的控制信号如图3所示。此种控制电路,会在不同的输入市电电压条件下,得到不同导通宽度的控制信号,在低电压输入时,导通时间短;反之亦然。o5KEETC-电子工程专辑

图3:主动式桥式整流器控制概念o5KEETC-电子工程专辑

在传统的PFC电路中,桥式整流器后连接的滤波电容CF在轻载会造成零交越失真,造成较差的THD值,此肇因于当轻载条件下,滤波电容上存在一较高电压值,当输入电压低于滤波电容电压时,整流器为截止状态,电流无法连续导通;而当使用主动桥式整流器之后,在当AC输入电压低于滤波电容时,若主动桥式整流器为导通状态时,会造成滤波电容上的能量倒流回到输入电压端,造成电源供应器有更差的PF值及THD值及极轻载效率变差,如图4所示。o5KEETC-电子工程专辑

图4:轻载下,较差的PF及 THD值,来自滤波电容的能量倒流o5KEETC-电子工程专辑

其可能的解决方案有二,其一,只使用下桥的功率晶体,如图4的Q3及Q4,不使用上桥的功率晶体,如Q1及Q2。逆向电流来自于滤波电容电压对输入电压呈现正压差,而此时导通的功率晶体会形成传递电流的路径,使用主动桥式整流器的目的是为了改善桥式整流器的导通损耗,因此在考虑效率改善幅度满足需求的大前提之下,可以只用下桥的功率晶体。o5KEETC-电子工程专辑

其二,使用同步整流控制器,用以避免负向电流流经主动桥式整流器,如图5。同步整流控制器的控制机制是送出控制信号的同时,也探测同步整流功率晶体上的电压准位,当电压准位由高值减少至低值时,预测电流可能反转时截止控制信号,负向电流可以被避免。o5KEETC-电子工程专辑

图5:采用同步整流控制器用于主动式桥式整流器o5KEETC-电子工程专辑

1.2 burst mode模式下主动式桥式整流器的控制概念

主动式桥式整流器不只应用于高效率的交换式电源供应器,对于高功率密度及改善无风扇电源供应器的零件温升也带来了极大的进步;在外置式电源供应器中,为了减少待机功耗,burst mode控制是不可避免的,当主动桥式整流器在外置式电源供应器中的burst mode控制之下,又该如何控制呢?如图6(a)所示,为在未使用主动桥式整流器时的交流电压、以及流出桥式整流器的电流波形Irec,其中,电流波形只有零星出现,而此时待机功耗还能符合国际规范,如图6(b)所示,为使用主动桥式整流器时的功率晶体驱动信号及流出桥式整流器的电流信号,其中,可以发现电流波形的数量变多,而且负向电流也出现了,从实际测试结果来看,电源供应器的待机功率也大幅度提高近70mW,致使电源供应器的待机功率无法符合国际规范要求。o5KEETC-电子工程专辑

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图6:主动式桥式整流器于burst mode下造成的输入电流波形o5KEETC-电子工程专辑

因此在具有burst mode控制的电源供应器里,除了直流电源供应外,主动式桥式整流器的控制机制,必须包括burst mode下的致能指示信号,使主动桥式整流器在burst mode发生时,切断直流电源供应,使之能够不动作,减少造成无效电流及无效功耗的增加。o5KEETC-电子工程专辑

图7:具有burst mode致能信号的主动桥式整流器控制概念o5KEETC-电子工程专辑

2.主动式桥式整流器效率改善评估

对电源供应器的设计者而言,使用主动桥式整流器的目的,不仅是减少桥式整流器的功率损耗,更重要的是从轻载到满载全面性地提高电源供应器的效率,要计算主动桥式整流器所带来的损耗改善,正常情况下必须先计算桥式整流器的导通损耗,图8所示,整流器被等效为等效的直流电压差VT串联一等效的电阻RD,其损耗计算公式为:o5KEETC-电子工程专辑

而功率晶体被等效为一电阻,其值为特定温度下的导通电阻,而功率晶体的导通损耗为Pc o n =I2D,rms×RDS ,ON (@specified TJ),,如图9所示。o5KEETC-电子工程专辑

图8:二极管的功率损耗计算公式o5KEETC-电子工程专辑

图9:功率晶体的功率损耗计算公式o5KEETC-电子工程专辑

从数学公式来看,可以将特定负载条件下桥式整流器的功率损耗减去功率晶体的功率损耗,就能够得到效率改善。然而,事实上,看起来是很单纯的计算,事实上并不容易。原因有几项:o5KEETC-电子工程专辑

a.二极管的功率损耗被等效成为电压差及等效电阻,然而这两个值会随着温度及二极管电流而所有改变,但是二极管的制造商并没有列出所有可能的图形,大多只会提供25℃及150℃的曲线图。 o5KEETC-电子工程专辑

b.功率晶体的导通电阻随温度及电流而变化,此外对于极低导通电阻的功率晶体而言,例如10mΩ,PCB上的寄生电阻值,容易造成额外难以被估算进来的功率损耗o5KEETC-电子工程专辑

图10:分别使用22mΩx4、22mΩx2及40mΩx4 的主动式桥式整流器在115Vac条件下有风扇及无风扇及不同负载条件的效率改善幅度o5KEETC-电子工程专辑

图11:分别使用22mΩx4、22mΩx2及40mΩx4 的主动式桥式整流器在230Vac条件下无风扇及不同负载条件的效率改善幅度o5KEETC-电子工程专辑

读者可以依照自己的负载条件及想要改善的效率目标,选择适常的电路结构,如全波整流或是半波整流,以及不同导通电阻的功率晶体。一般而言,低导通电阻的全桥主动桥式整流器效果最好、次一级者为高导通电阻的全桥主动桥式整流器最后是低导通电阻的半桥主动桥式整流器。o5KEETC-电子工程专辑

3.雷击电压测试

从应用电路的角度来看主动桥式整流器直接并联在桥式整流器之上,无可避免地,就必须面临雷击电压及冲击电流能力的问题,不同于功率晶体,一般的桥式整流器耐冲击电流能力极高,如DB25X60,在10ms内,其I2t可达350A2t;此外,一般的桥式整流器可以选用的电压规格至少可达1000V,因此,若有雷击问题发生时,可以采用较高电压及电流规格的桥式整流器,传统上桥式整流器的选用,对电源供应器的设计者而言,大多都不是太大的问题,然而当设计者选用了主动桥式整流器用于改善电源供应器的效率时,很多问题就必须被考虑进来。o5KEETC-电子工程专辑

当功率晶体的电压超过所能承受的崩溃电压后,功率晶体在单位时间必须能够承受得住足够的能量冲击,若在主动桥式整流器中采用IPT60R028G7,其电压规格为650V@TJ,max,其单脉波崩溃能量EAS为288mJ,,很明显地,在雷击测试中,如果系统没有使用能够有效传导及吸收雷击能量的组件,即使是在只有1kV的测试当中,在主动式桥式整流器上的功率晶体,也会因为过电压而毁坏。o5KEETC-电子工程专辑

如图12所示,常用的两种不同的bypass diode连接方式,图12(a)连接于π型滤波器之后,而图12(b)连接于π型滤波器之前,直接接在主动桥式整流器之上,其中π型滤波器经常被应用于CrM PFC连接于桥式整流器之后。o5KEETC-电子工程专辑

图12: Bypass Diode连接方式决定雷击能量传导o5KEETC-电子工程专辑

在使用主动桥式整流器后,原来的桥式整流器是否就能够不需要呢?这是一个使用主动桥式整流器的电源设计者常常会问到的问题。考虑桥式整流器的电流能力,是以I2t决定;而功率晶体的最大电流能力,取决于功率晶体的散热条件及最大接面温度,如图13所示。由图中可以知道桥式整流器的耐电流能力远高于功率晶体。o5KEETC-电子工程专辑

图13:桥式整流器(D25XB60)及功率晶体(IPT60R028G7)的电流能力o5KEETC-电子工程专辑

无论是桥式整流器或是主动桥式整流器而言,所必须面对的浪涌电流条件有几个:o5KEETC-电子工程专辑

(a)开机过程中,输入电压对输出电容的充电电流o5KEETC-电子工程专辑

(b)交流电压周期丢失(AC Cycle Dropout)后的重新浪涌电流(Surge Current)o5KEETC-电子工程专辑

(c)雷击过程中的过电压所产生的过电流o5KEETC-电子工程专辑

事实上,除了在开机过程中,因为有限流电阻的存在,所以冲击电流值较小,如果只单靠功率晶体而没有桥式整流器,功率晶体是很难抵挡得住上述的其他冲击电流。由图14的分流率计算结果可以得知,在没有功率晶体驱动信号的条件之下,功率晶体与桥式整流器的并联,呈现两个具有负温度系数组件的并联,因功率晶体的顺向导通电压VSD小于桥式整流器的顺向导通电压VF,致使近90%的电流都会流经功率晶体。o5KEETC-电子工程专辑

图14:功率晶体截止下的本体二极管与桥式整流器(GBJ1506)的分流率o5KEETC-电子工程专辑

事实上,除了在开机过程中,因为有限流电阻的存在,所以冲击电流值较小,如果只单靠功率晶体而没有桥式整流器,功率晶体是很难抵挡得住上述的其他冲击电流。由图14的分流率计算结果可以得知,在没有功率晶体驱动信号的条件之下,功率晶体与桥式整流器的并联,呈现两个具有负温度系数组件的并联,因功率晶体的顺向导通电压VSD小于桥式整流器的顺向导通电压VF,致使近90%的电流都会流经功率晶体。o5KEETC-电子工程专辑

图14:功率晶体截止下的本体二极管与桥式整流器(GBJ1506)的分流率 o5KEETC-电子工程专辑

在有功率晶体驱动信号的条件之下,功率晶体与桥式整流器的并联,呈现正温度系数的导通电阻与负温度系数的二极管并联,在桥式整流器的顺向导通电压VF大于电流与导通电阻的乘积时,大部份电流都会流过功率晶体;而在桥式整流器的顺向导通电压VF小于电流与导通电阻的乘积时,桥式整流器开始与功率晶体进行分流。o5KEETC-电子工程专辑

图15:桥式整流器与功率晶体的电流分流(a)概念图(b)波形图o5KEETC-电子工程专辑

在有功率晶体驱动信号的条件之下,功率晶体与桥式整流器的并联,呈现正温度系数的导通电阻与负温度系数的二极管并联,在桥式整流器的顺向导通电压VF大于电流与导通电阻的乘积时,大部份电流都会流过功率晶体;而在桥式整流器的顺向导通电压VF小于电流与导通电阻的乘积时,桥式整流器开始与功率晶体进行分流。o5KEETC-电子工程专辑

图16:功率晶体截止下的本体二极管与桥式整流器(GBJ1506)的分流率o5KEETC-电子工程专辑

如图16所示,假设VF为1.3V,功率晶体温度75℃,桥式整流器温度为25℃时,功率晶体上的电流为32A,占总电流的42%;而在更高的总电流, Itotal=110A时,假设VF为1.5V,功率晶体温度125℃,桥式整流器温度为25℃时,功率晶体上的电流为30A占总电流的27%,由此计算可以得到桥式整流器在冲击电流下,确实能够有好的分流效果。o5KEETC-电子工程专辑

如图17,为1200W PFC电路在AC 电源丢失回复时,总电流与桥式整流器电流的波形,可以发现在正常条件下,几乎没有电流流过桥式整流器;但在大电流情况下,桥式整流器会开始进行分流,避免因瞬间的大电流造成主动桥式整流器烧毁。o5KEETC-电子工程专辑

图17:桥式整流器在交流电压丢失回复时的电流分流o5KEETC-电子工程专辑

4.主动式桥式整流器测试结果

4.1 2400W单相PFC

采用TOLL封装的功率晶体做为主动式桥式整流器,测试2400W的PFC电路,以75kHz的切换频率,比较采用主动式桥式整流器与传统桥式整流器的效率。在230Vac下,考虑半载条件下的输入电流有效值为5.3A,桥式整流器上的顺向导通电压约为0.78V,其总功率损耗约为8.26W;在相同条件下,主动桥式整流器上功率晶体的导通电阻约为80mΩ,其总功率损耗约为2.24W,理论上,在输入电压为230Vac,采用主动桥式整流器时,半载条件下效率最高可改善0.46%,实测结果如图18所示,采用主动式桥式整流器在半载测试条件下可以改善0.42%,而其最高效率可及近98.8%。o5KEETC-电子工程专辑

图18:2400W具主动式桥式整流的功率因数校正效率图o5KEETC-电子工程专辑

4.2 130W超薄型适配器

采用IPL60R065C7,ThinPAK封装, 65mΩ的功率晶体做为主动式桥式整流器,测试130W的silm type adapter,比较主动式桥式整流器与传统桥式整流器的效率。在90Vac满载下,输入电流有效值为1.6A,假设满载条件下,桥式整流器的正向导通电压为0.7V,功率损耗约为2.24W;65mohm的功率晶体在100℃时的导通电阻约为100mΩ,功率损耗约为0.512W,功率损耗约可以少1.7W,效率约可提升1.1%,接近实际量测结果。o5KEETC-电子工程专辑

图19:130W具主动式桥式整流之slim type adapter校正效率图o5KEETC-电子工程专辑

图20:主动式桥式整流器参考电路图o5KEETC-电子工程专辑

小结:

对于高效率及高功率密度切换式电源器而言,主动式桥式整流器是一种能够直接有效改善全机效率的电路。无论是对于无法使用无桥式功率因数校正器的电源供应器,如具有burst mode的电源适配器,需要改善组件温度及效率,或是需要改善10%~70%效率的服务器电源,主动式桥式整流器通过一简单的小卡,就能够直接在不动系统大架构的情况下,达到提升效率的目的。不同效率改善幅度的要求,可以通过不同规格导通电阻的功率晶体来达成目标,效率改善幅度可以先通过文章内的功率损耗计算来预测之;要达到最好的效能提升,更低的RDS,ON具有决定性的影响,英飞凌目前是业界能够在相同封装内达到最低功率晶体的制造商,此外不同的封装的提供,对于不同机械结构要求的应用,能够达到更弹性的实现;针对主动式桥式整流器上的功率晶体,依照不同的要求,必须采用适当的浪涌电压及电流解决方案,用以保护在这些条件之下主动式桥式整流器上的功率晶体,即使主动式桥式整流器动作如同桥式整流器一般,考虑浪涌电流能力,桥式整流器仍然必须保留并且与之并联;最后针对2400W的PFC电路及130W slim type adapter进行效率的量测及改善,并提供参考电路,读者可以依照参考电路的设计概念进行主动式桥式整流器电路的制作。o5KEETC-电子工程专辑

作者:张家瑞、黄正斌、萧益州 / 英飞凌科技o5KEETC-电子工程专辑

责编:Amy Guano5KEETC-电子工程专辑

本文为《电子工程专辑》2020年9月 刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅  o5KEETC-电子工程专辑

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