高輸入電壓應(yīng)用中的電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣M件選擇

在智能電表和電機(jī)驅(qū)動等應(yīng)用中，電源必須將高輸入電壓轉(zhuǎn)換為微控制器或 IGBT 驅(qū)動器的低直流電壓。例如，440V AC或 480V AC是全球常見的三相交流電壓，智能電表一般需要接入。在電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中，我們可能會遇到更高的電壓。

以較低的物料清單 (BOM) 成本將高輸入電壓轉(zhuǎn)換為 12V、5V 或 3.3V 等低直流電壓是一個(gè)有趣的話題，因?yàn)橛糜诟邏航祲恨D(zhuǎn)換器的大多數(shù)商業(yè)組件都是為通用交流輸入而設(shè)計(jì)的（85V交流電至 264V交流電）。在這篇文章中，我將解釋如何為高壓降壓轉(zhuǎn)換做出明智的拓?fù)?/span>/組件選擇。

在高壓輸入和直流輸出之間不需要隔離的應(yīng)用（如智能電表）中，降壓轉(zhuǎn)換器仍然是首選，因?yàn)樗芎唵?。例如?/span>85-318V?IN、15V?OUT、1A?OUT、AC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器 TI Designs 參考設(shè)計(jì)使用高端 DCM 降壓轉(zhuǎn)換器（圖 1 所示的簡化原理圖）將電壓從 459V AC轉(zhuǎn)換為 15V DC . 在像這樣的高壓降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，我們需要解決兩個(gè)因素：

· 續(xù)流二極管的反向恢復(fù)效應(yīng)。

· 控制器的最小接通時(shí)間限制。

圖 1：非隔離式 AC/DC 轉(zhuǎn)換器 

請記住，續(xù)流二極管反向恢復(fù)引起的開關(guān)損耗會隨著輸入電壓的增加而增加。開關(guān)損耗可能主導(dǎo) MOSFET 的功耗，尤其是當(dāng)轉(zhuǎn)換器以連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 運(yùn)行時(shí)。因此，如果我們希望 CCM 操作用于高壓 AC/DC 非隔離轉(zhuǎn)換，我們可能需要一個(gè)碳化硅 (SiC) 二極管來減少由于反向恢復(fù)效應(yīng)而導(dǎo)致的開關(guān)損耗。例如，AC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器具有 85V?AC?-318V?AC輸入和 15V 0.8A 輸出的 TI Designs 參考設(shè)計(jì)使用帶有 CCM 降壓轉(zhuǎn)換器的 SiC 二極管來實(shí)現(xiàn)緊湊型輔助電源。

此外，在高壓 AC/DC 轉(zhuǎn)換中，降壓轉(zhuǎn)換器的占空比變得非常小。對于 440V AC到 15V DC的轉(zhuǎn)換，DCM 降壓轉(zhuǎn)換器的占空比可能小于 2%。當(dāng)轉(zhuǎn)換器以高開關(guān)頻率運(yùn)行時(shí)，可能會達(dá)到控制器的最小導(dǎo)通時(shí)間限制；例如，UCC28911需要至少 420nS 的接通時(shí)間。換言之，如果我們在 440V AC到 15V DC轉(zhuǎn)換中使用UCC28911作為降壓轉(zhuǎn)換器控制器，則轉(zhuǎn)換器必須在低于 45kHz 的開關(guān)頻率下運(yùn)行。

UCC28911是高壓反激開關(guān)，無需使用光耦即可提供輸出電壓和電流調(diào)節(jié)。這兩種裝置都包含一個(gè)700-V功率FET和一個(gè)控制器，該控制器處理來自反激輔助繞組和功率FET的操作信息，以提供精確的輸出電壓和電流控制。用于啟動的集成高壓電流源，在設(shè)備運(yùn)行期間關(guān)閉，控制器電流消耗隨負(fù)載動態(tài)調(diào)整。兩者都可以實(shí)現(xiàn)非常低的備用功耗。
UCC28911中的控制算法結(jié)合了開關(guān)頻率和峰值一次電流調(diào)制，使運(yùn)行效率達(dá)到或超過適用標(biāo)準(zhǔn)。采用帶谷值開關(guān)的不連續(xù)傳導(dǎo)模式（DCM）降低開關(guān)損耗。內(nèi)置保護(hù)功能有助于在整個(gè)工作范圍內(nèi)檢查二次和一次部件的應(yīng)力水平。頻率抖動有助于降低EMI濾波器成本。

對于需要隔離的高壓降壓應(yīng)用，與其他拓?fù)湎啾?，反激式轉(zhuǎn)換器可能提供最低的 BOM 成本。此外，我們可以在具有寬輸入電壓范圍的應(yīng)用中使用反激式轉(zhuǎn)換器。它的低成本和對寬輸入電壓的適用性使反激式轉(zhuǎn)換器成為隔離式高壓降壓轉(zhuǎn)換的首選。但是，反激式轉(zhuǎn)換器要求其輸入開關(guān)的電壓額定值高于最大輸入電壓，這可能會大大增加 BOM 成本。例如，具有 800V DC輸入的反激式轉(zhuǎn)換器可能需要具有 1200V 額定值的輸入開關(guān)（請參閱300V?DC?-800V?DC輸入、54W 四通道輸出 PSR 反激式與 SiC-FET TI Designs 參考設(shè)計(jì)）。額定電壓為 1200V 的 MOSFET 通常很昂貴，即使我們排除了同樣昂貴的 SiC MOSFET。

如果輸出功率水平較低，我們可以使用低成本高壓雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 作為反激式輸入開關(guān)，例如具有 PSR 控制的超寬輸入范圍、雙輸出、離線 AC/DC 偏置電源和BJT 開關(guān) TI 設(shè)計(jì)參考設(shè)計(jì)。高壓 BJT 反激式設(shè)計(jì)的一件重要事情是高壓 BJT 通常具有低直流增益。因此，我們必須確保設(shè)計(jì)中的峰值輸入電流可以通過有限的 BJT 直流增益實(shí)現(xiàn)。

如果輸出功率水平很高（>30W），請考慮使用 SiC MOSFET，就像我在300V?DC?-800V?DC輸入、54W 四通道輸出 PSR 反激式和 SiC-FET TI Designs 參考設(shè)計(jì)中所做的那樣，以獲得更高的轉(zhuǎn)換器效率，或在400V 至 690V交流輸入、50W 反激式隔離電源參考設(shè)計(jì)中使用共源共柵 MOSFET 配置（如圖 2 所示），以降低 BOM 成本。

圖 2：具有級聯(lián) MOSFET 配置的反激式轉(zhuǎn)換器