AC-DC常用拓扑介绍

1、AC-DC常用拓扑介绍 欢迎大家批评指正 BMP/CP测试室 AC-DC常用拓扑介绍 PFC常用拓扑 DC/DC主电路常用拓扑 PFC常用拓扑 PF=有功功率/视在功率=I1COS/Itotal。 单相APFC应用最为广泛的拓扑为BOOST。 主要实现两个功能：1、功率因数的校正 （一般大于90%）；2、在输入电压大范 围变化时（90264V） ，保持输出母线 的稳定（一般为390V）。 我司常用的拓扑为峰值电流型DCM/CCM临 界连续和平均电流型CCM两种。 DCM/CCM 拓扑原理图 DCM/CCM拓扑波形图 DCM/CCM的基本实现思想（1） 基本实现思想是峰值电流控制和零电流检测。

2、检测电感电流，与基准相比较，当电流达到正 弦基准电流（为输入电压信号与电压环误差放 大器输出的乘积） 时，产生一个关断MOSFET 信号，随之电感电流下降；当电路检测到电感 电流过零时，产生一个开通MOSEFT信号，从 而保持电感电流始终工作于连续和断续的临界 状态。 DCM/CCM的基本实现思想（2） MC33368内部控制示意图。 DCM/CCM的基本实现思想（3） 由于电压误差放大器的增益带宽为10-20Hz， 远小于输入全波整流电压的频率100Hz，且输 出母线基本稳定，所以电压误差放大器的输出 Ve基本恒定。这样，Ve与输入全波整流电压 Vac相乘所得的电流基准信号Iref就是一个与

3、 Vac 相似的正弦信号。因此电感电流的峰值跟 随Iref即Vac变化，当处于临界状态时，电感电 流的平均值就是一个与Vac 相似的正弦电流。 在交流输入端接入一个差模电感L101，通过 L101和C119将PFC电感的峰值电流滤为平均值， 就可在输入端实现功率因数校正。 DCM/CCM的优缺点 优点：因为500V以上的快恢复二极管存在反向 恢复，会带来二极管电压应力、MOS开通损耗、 EMC等一系列问题。DCM/CCM使二级管的电流过 零关断，可消除其反向恢复损耗和寄生振荡。 主要缺点：电流不连续意味着输入电流脉动大、 电流有效值大，电感、MOS导通损耗增加。变 频控制意味着电感、EMC设计

4、难度加大。 DCM/CCM的实际考虑 1、峰值检测关断容易引入干扰。为了克服功 率管开通时的电流检测信号噪声，芯片一般带 有Leading Edge Blanking功能，防止超过峰 值电流基准而导致功率管误关断。但是LEB引 入又会带来最小导通时间（1uS以上）的问题。 2、 ZCD的检测通常是通过电感两端电压小于 某个值而实现的，在高压输入（大于280V）的 峰值处，很容易满足该条件，导致开关管关断 后立即导通。引起电感激磁不平衡，电感电流 连续甚至电感饱和，电感峰值电流过大的问题。 平均电流控制的CCM拓扑原理图 平均电流控制的CCM拓扑波形图 平均电流控制CCM的基本实现思想（1） 基

5、本实现思想是电压外环、电流内环的双环控制。它 用电流误差放大器替代前面讨论的峰值控制中的电流 比较器，形成电流内环。通过误差放大器，输入电流 的高频分量被平均化处理，平均电流误差信号与锯齿 波比较后形成控制开关通断的PWM信号。 电流内环的基准除了输出电压误差放大信号与输入整 流电压信号的乘积以外，还需要除去输入电压全波整 流后的有效值平方。电压前馈的目的是为了提高控制 系统对输入电压变化的动态响应速度，对于宽输入电 压范围和输入波动较大的应用场合很有必要。 平均电流控制CCM的基本实现思想（2） 3854的内部控制示意图。 平均电流控制CCM的优缺点 优点：1、相应峰值控制而言，输入电流峰值

6、 和有效值小；2、抗干扰的能力强；3、定频控 制。 缺点：1、相应峰值电流控制，多了电流内环 的设计。需要在稳定性裕量和PF值之间折中。 2、二极管的反向恢复。以前解决该问题有很 多想法和思路，一般都会带来器件增加和控制 复杂。目前，高压快恢复二极管的发展，特别 是SIC工艺的出现，可能会使这一主要缺点自 然得到改善。 平均电流控制CCM的实际考虑 1、高温下，二极管的应力会随着反向恢复电 流的增加而急剧增大。测试必须考虑高温带来 的影响。 2、输入电压前馈需要二级滤波才到除法器。 在输入电压大范围波动时（比如90264VAC）， 前馈作用存在滞后效应，PFC母线电压会跟随 输入电压而变化，导

7、致输出跌落或过冲。 AC-DC常用拓扑介绍 PFC常用拓扑 DC/DC主电路常用拓扑 DC-DC主电路常用拓扑 反激 单正激 双正激拓扑 对称半桥拓扑 推挽拓扑 移相全桥拓扑 反激电路的基本形式 优点：电路简单，不需要滤波电感。容易实现多 路输出。输入电压范围宽。适用于输出电流较小 的场合，比如AC-DC的辅助电源。 缺点：纹波电流较大，需要较大的滤波电容。能 量大部分储存在气隙，功率较大时不适合。 反激电路的基本波形 CCM：根据伏秒积平衡，有Vin*Ton=n*Vo*Toff。得到： Vo=Vin*D*/n*（1-D）。 DCM：根据能量关系有Vo2*T/R=1/2*Lm*（Vin*Ton

8、/Lm）2， 可得到： 。 反激电路的实际考虑（1） 1、能量大部分存储在气隙，应用受到限制，假 设气隙和磁芯中磁通的截面积一样，则： 磁芯中的能量为： 气隙中的能量为： 2 0 2 ee c r B L A E 2 0 2 ge g B L A E 现有一相对磁导率为2000，气隙长度为1mm,磁路长 度为100mm的反激变压器，可得： 1 20 100 20001 e rg c g L L E E 磁芯存储能量 气隙存储能量 为了增加传递能量，可以增大气隙，但是气隙的增大，在其它 条件不变的情况下初级励磁电感减小，漏感所占的比例加大， 原边峰值电流增加，漏感损耗和开关应力都大幅提高。 反激

9、电路的实际考虑（2） 2、需要死负载： 即使CCM的反激电路，在负载很小时也会进入DCM 模式。从DCM的输出关系式可以看到D与负载有关 系，轻载时R值很大，所以只需要很小的D（此时 如 果 次 级 采 用二极管整流，则会出现 “丢 波” ）。完全空载，R无穷大，磁场能量无泻放 通路，理论上输出也为无穷大。模块炸机。 DC-DC主电路常用拓扑 反激 单正激 双正激拓扑 对称半桥拓扑 推挽拓扑 移相全桥拓扑 单正激拓扑的基本电路 Vin Vout2 1 3 1 23 1 23 4 62 1 3 4 57 8 910 N VinD Vout * 单正激电路的优缺点 优点：电路结构简单，元器件数量少

10、；工作可靠性高； 成本低； 功率从小到大都可以用，适用功率范围宽； 动态性能好。 缺点：1、在400V母线场合，考虑到PFC纹波电压，主 开关管的Vds原则上需要选择900V以上，因此，在AC- DC产品中应用较少。在DC-DC输入的场合，比较合适。 2、大部分的单正激电路，变压器为单边励磁，即使是 双向磁化也不是很对称，原则上需要按单边励磁来设 计，变压器的利用效率较低。 单正激电路的分类 按去磁方式可以分为四大类：第三绕组，RCD， 电容谐振，有源钳位。 电路形式变压器工作状态 三绕组去磁单向磁化 RCD去磁单向磁化 电容谐振去磁双向磁化 有源钳位去磁双向磁化 第三绕组去磁的单正激电路 优

11、点：控制简单，可靠性高 缺点：占空比小于0.5（NcNp），变压器加工 复杂。 RCD去磁的单正激电路 优点：最大占空比可以大于0.5。 缺点：R损耗较大，只能用于对效率要求不高的 小功率场合。 电容谐振去磁的单正激电路 优点：最大占空比可以大于0.5。电路结构简单， 电容可利用开关管的寄生电容实现。 缺点：采用该电路一般都会将芯片的最大占空比 设计在0.7左右。而输入电压高限时，正常工作占 空比很小，但是在短路、开机等异常情况下，由 于占空比可以达到0.7而使应力超标。 有源去磁的单正激电路 优点：最大占空比可以大于0.5。如果副边采用 MOS同步整流，可以实现变压器自驱。 缺点：辅管的控制

12、驱动比较复杂。环路设计需要 考虑励磁电感和嵌位电容形成的复合零极点。 DC-DC主电路常用拓扑 反激 单正激 双正激拓扑 对称半桥拓扑 推挽拓扑 移相全桥拓扑 双正激电路的基本形式 优点：1、无变压器直通问题，可靠性高。2、开 关管电压应力自动嵌位，电压应力为单管正激的 一半。3、可以通过交错并联，增大变换功率和 实现副边倍频。 缺点：1、占空比小于0.5。2、MOS管硬开关。3、 变压器按单向磁化设计，利用率低。 Vin Vo RNp Ns S2 T D1 D2 Lo Co S1 双正激电路的基本波形与原理 上图为单个开关管在满载时的实测波形（CH1：Vds，CH2： Vgs）。当开关管导通

13、时，Vds为0，励磁电流线性增加。 开关管关断瞬间，副边折算回来的等效电流与励磁电流 一起给开关管寄生电容Cds充电，Vds从0迅速上升，充到 母线电压后被二极管嵌位。随后励磁电流维持平台不变， 直到励磁电流减小到0。此后励磁电感与电路寄生电容谐 振，电压谐振到1/2平台电压后被嵌位。 双正激电路的实际考虑（1） 变压器隔离驱动解决上管的浮地驱动。 双正激电路的实际考虑（2） 虽然双正激相对于半桥、全桥、推挽来说，变压器按 单边励磁来考虑，磁芯利用率低。但是该电路不需要 考虑直通、偏磁。在AC-DC的场合应用非常广泛。 如果产品的散热环境恶劣（以下条件中的一种或多种 组合）：密闭、内部无风扇、

14、外部无外加风、体积受 限。因为半桥、全桥、推挽的变压器双向励磁，磁芯 损耗较大，对散热的要求高。这种情况下，双正激将 是较优拓扑。 DC-DC主电路常用拓扑 反激 单正激 双正激拓扑 对称半桥拓扑 推挽拓扑 移相全桥拓扑 对称半桥拓扑的基本形式 优点：1、与双正激相比，副边倍频。2、变压器 双向励磁，利用效率高。 缺点：1、存在偏磁和直通可能。2、不能采用电 流型控制，偏磁的危害很大。 对称半桥的基本波形与原理 1、S1开通，S2关断，此 时变压器两端所加的电 压为母线电压的一半， 能量由原边向副边传递。 2、S1关断，S2关断，此 时变压器副边两个绕组 由于整流二极管两个管 子同时续流而处于

15、短路 状态，原边绕组也相当 于短路状态。S1、S2均 分母线电压。 3、S1关断，S2开通。与1 相似。 对称半桥的实际考虑（1） 变压器隔离驱动解决上管的浮地驱动。 对称半桥的实际考虑（2） 隔直电容解决变压器偏磁。 对称半桥的实际考虑（3） 母线电容直接采用金膜电容，相对电解电容的主 要优点，有： 1、不用考虑两个桥臂电容的分压问题。因为金 膜电容电压可以做的比较高，使用两个630V的金 膜电容串联，其电压降额余量相当大。 2、不用考虑安规的问题。金膜电容即使损坏， 也没有电解电容漏液和爆炸的问题。 3、由于容量一般比较小（通常小于1uF）。当两 对桥臂开通时间出现不平衡时，桥臂上金膜电容

16、 的电压及时自动调整，可以节省一个隔直电容。 DC-DC主电路常用拓扑 反激 单正激 双正激拓扑 对称半桥拓扑 推挽拓扑 移相全桥拓扑 推挽拓扑的基本形式 优点：1、与双正激、半桥、全桥相比，无隔离 驱动问题。2、变压器双向励磁，利用效率高。 缺点：1、存在偏磁和直通可能。2、电压应力为 两倍母线，一般只在DC-DC场合应用。 推挽电路的基本波形与原理 上图为单个开关管在满载时的实测波形（CH1：Vgs，CH2： Vds）。当开关管导通时，Vds为0，励磁电流线性增加。 开关管关断瞬间，副边折算回来的等效电流与励磁电流 一起给开关管寄生电容Cds充电，Vds从0迅速上升，充到 母线电压后被另一

17、个MOS的体二极管嵌位，尖峰由漏感 和关断时的电流引起，也与原副边的吸收电路有关。当 另一个MOS导通后，电压被嵌位到2倍母线电压。 推挽电路的实际考虑（1） 可以采用隔直电容来遏止偏磁。在DC输入大范围变化 的场合，也可以采用电流环控制，来预防偏磁。 在DC输入变化不大的场合，可以采用固定大占空比 （0.47左右），副边无输出电感的推挽电路实现预稳 压。由于无输出电感的续流过程，原边的励磁电感可 以在开关管的关断期间参与谐振，实现MOS的软开通。 DC-DC主电路常用拓扑 反激 单正激 双正激拓扑 对称半桥拓扑 推挽拓扑 移相全桥拓扑（较复杂，本文不做 探讨） DC-DC主电路常用拓扑比较

18、电路电路 优点优点缺点缺点功率范围功率范围应用领域应用领域 正激正激 电路较简单，成本电路较简单，成本 低，可靠性高，驱低，可靠性高，驱 动电路简单。动电路简单。 大部分单向激磁，大部分单向激磁， 单管应力高。单管应力高。 几百几百W几几kW各种中、小功各种中、小功 率电源率电源 反激反激 电路非常简单，成电路非常简单，成 本很低，可靠性高，本很低，可靠性高， 驱动电路简单。驱动电路简单。 难以达到较大的功难以达到较大的功 率。率。 几几W几十几十W 小功率电子设备、小功率电子设备、 计算机设备、消计算机设备、消 费电子设备电源。费电子设备电源。 全桥全桥 变压器双向励磁，变压器双向励磁， 容易达到大功