【導(dǎo)讀】本文介紹了工業(yè)應(yīng)用輔助電源解決方案，包括兩級式輔助電源架構(gòu)和各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。第一級輔助電源通常使用反激拓?fù)洌w凌的1700V CoolSiC? SiC MOSFET可以幫助客戶簡化設(shè)計(jì)。第二級輔助電源可以使用LLC、推挽式或全橋式拓?fù)洌w凌的2EP1XXR系列驅(qū)動(dòng)IC可以提供簡單靈活的解決方案。
摘要
本文介紹了工業(yè)應(yīng)用輔助電源解決方案，包括兩級式輔助電源架構(gòu)和各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。第一級輔助電源通常使用反激拓?fù)洌w凌的1700V CoolSiC? SiC MOSFET可以幫助客戶簡化設(shè)計(jì)。第二級輔助電源可以使用LLC、推挽式或全橋式拓?fù)洌w凌的2EP1XXR系列驅(qū)動(dòng)IC可以提供簡單靈活的解決方案。
在一些工業(yè)應(yīng)用如電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、光伏逆變器或MMC模塊化多電平換流器等都需要用到輔助電源，常采用的輔助電源架構(gòu)為兩級式，又稱為半分布式電源架構(gòu)，其中第一級為了兼容更多系統(tǒng)應(yīng)用，需要支持寬范圍電壓輸入，如從高壓直流側(cè)取電，600V~1000V的輸入電壓經(jīng)一級輔助電源后轉(zhuǎn)換為低壓穩(wěn)壓軌，一般一級輸出電壓為5V、24V或15V，為控制器、傳感器或者風(fēng)扇等供電。對于幾十kW及其以下的單相系統(tǒng)或者三相系統(tǒng)，一級輔助電源的總輸出功率一般要求在100W以內(nèi)；第二級架構(gòu)為柵極驅(qū)動(dòng)器提供隔離偏置電源，驅(qū)動(dòng)SiC,IGBT和GaN等功率器件。因第二級輸入電壓為前級生成的穩(wěn)壓軌，在對輸出電壓精度要求沒那么嚴(yán)格時(shí)也可使用開環(huán)控制運(yùn)行。在整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用中，英飛凌可以為輔助電源應(yīng)用提供全套低功耗、高性能和靈活兼具的方案。
圖1.使用兩級式架構(gòu)的輔助電源
對于第一級輔助電源:
一般使用反激拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)。單開關(guān)反激式拓?fù)湟蚪Y(jié)構(gòu)簡單，元器件較少，在寬范圍輸入下具有高效率，多負(fù)載下調(diào)整率較好，能以較低成本實(shí)現(xiàn)不錯(cuò)的性能而備受青睞。下圖2是一個(gè)反激式拓?fù)涞暮喕疽鈭D，該拓?fù)鋬H使用一個(gè)開關(guān)來控制流經(jīng)初級繞組的電流，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電流流入磁化電感，能量暫時(shí)存儲(chǔ)在磁芯中，副邊整流二極管截止，輸出電壓僅由輸出電容放電維持；當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)，繞組的極性發(fā)生反轉(zhuǎn)，磁芯中存儲(chǔ)的能量以電流的形式釋放，經(jīng)整流后為負(fù)載和輸出電容提供能量。
反激式拓?fù)涔β什荒茏龅锰螅驗(yàn)樵谀芰總鬟f中，磁化電感只是一個(gè)臨時(shí)的儲(chǔ)能元件，副邊在續(xù)流中會(huì)產(chǎn)生較大的峰值電流，所以在大功率場合應(yīng)用會(huì)影響效率。
圖2.反激式拓?fù)?/p>
當(dāng)初級開關(guān)管斷開時(shí)承受的總的電壓應(yīng)力主要由三個(gè)方面組成：第一是輸入電壓，第二是儲(chǔ)存的能量通過變壓器輸送到負(fù)載時(shí)，初級線圈上將感應(yīng)出反射電壓Vrefl，Vrefl的幅值由輸出電壓和匝比決定；第三是電壓尖峰Vspike，這是由一次繞組的漏電感中存儲(chǔ)的能量造成的。對于一個(gè)DC 600~1000V的系統(tǒng)而言，Vrefl常在100~150V左右，Vspike在200V左右，在最高輸入條件下開關(guān)管的最高耐壓最少需要達(dá)到1350V左右，為了保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，需要留有一定的電壓裕量，因此至少需要額定電壓在1500V及以上的開關(guān)器件，或采用雙管反激變換器，用兩只開關(guān)管代替單管，并在電路中采用鉗位二極管，把每個(gè)開關(guān)管上的峰值電壓應(yīng)力鉗位至輸入電壓，這樣就可以選擇相對應(yīng)力較低的器件。但同時(shí)器件的數(shù)量和成本也相應(yīng)增加，且需要額外的高邊側(cè)隔離驅(qū)動(dòng)電路，使整體設(shè)計(jì)變得更為復(fù)雜。
圖3.反激式變換器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓
SiC MOSFET技術(shù)的一個(gè)重要價(jià)值是使得1200V以上有了性能優(yōu)秀的高速開關(guān)器件，英飛凌針對反激式輔助電源應(yīng)用，提供1700V 450mΩ/650mΩ/1000mΩ三種規(guī)格的CoolSiC? SiC MOSFET可以幫助客戶簡化設(shè)計(jì)，采用單管反激拓?fù)浼纯蓪?shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，多種規(guī)格以滿足不同功率段的應(yīng)用要求（詳細(xì)產(chǎn)品信息可點(diǎn)擊：新品 | 采用D2PAK-7L封裝的1700V CoolSiC? MOSFET，輔助電源的理想搭檔）。
作為一款輔助電源應(yīng)用的主推產(chǎn)品，它不但提升了電氣間隙和爬電距離，還可以通過控制器直接驅(qū)動(dòng)，無需驅(qū)動(dòng)電路，封裝兼具D2PAK-7L和TO-247-3HCC兩種，產(chǎn)品的詳細(xì)信息可參考往期文章：新品 | 可直接驅(qū)動(dòng)的單端反激式輔助電源用 1700V CoolSiC? MOSFET。
圖4 .1700V CoolSiC? MOSFET的型號(hào)與對應(yīng)功率段推薦
感興趣的用戶還可去英飛凌官網(wǎng)申請“REF_62W_FLY_1700V_SiC”參考板，該參考板旨在支持客戶為三相系統(tǒng)設(shè)計(jì)輔助電源，工作電壓范圍在200VDC至1000VDC，具有三種電壓輸出：+15V、-15V和+24V，最大輸出功率高達(dá)62.5W。
對于第二級輔助電源:
輸入電壓為前級輸出的低壓穩(wěn)壓軌，輸出功率相對較低，當(dāng)對輸出電壓精度要求>1%時(shí)，可選擇無光耦合器的拓?fù)湓O(shè)計(jì)以降低復(fù)雜性并能提供可靠性保障，常見的開環(huán)隔離拓?fù)淙缦挛乃尽?/p>
LLC式拓?fù)?/p>
LLC諧振變換器作為一種在大功率應(yīng)用常見的串并聯(lián)諧振變換器，兼具串聯(lián)和并聯(lián)諧振變換器的優(yōu)點(diǎn)，可以利用變壓器漏感參與諧振以實(shí)現(xiàn)全程軟開關(guān)特性，EMI低，適用于對效率、功率密度要求較高的場合。與反激、推挽等非諧振式變換器相比，LLC諧振變換器對變壓器的設(shè)計(jì)較友好，對原副邊耦合度要求較低，可以使用高隔離電壓和低匝間電容兼具的變壓器，因此在小功率隔離電源中也能見到LLC變換器的身影。
下圖5是一個(gè)常見的半橋LLC拓?fù)涞暮喕疽鈭D，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f，應(yīng)該是非對稱半橋LLC，根據(jù)諧振電容位置的不同，半橋LLC拓?fù)溥€可以演化成分裂電容對稱半橋LLC（圖6），也即將諧振電容一分為二成兩個(gè)等量的電容串聯(lián)，使得兩個(gè)諧振支路處于對稱狀態(tài)。和非對稱半橋LLC拓?fù)湎啾龋至央娙輰ΨQ半橋LLC由兩個(gè)諧振電容串聯(lián)后并聯(lián)在輸入側(cè)，兩個(gè)諧振電容電壓之和為輸入電壓，故每個(gè)諧振電容上仍有Vin/2的直流偏置電壓，但流過諧振電容的電流為諧振腔電流的一半，紋波電流更小，諧振電容的選型有更多的選擇。
推挽式拓?fù)?/p>
下圖是一個(gè)半橋推挽式拓?fù)涞暮喕疽鈭D，所謂推挽，即開關(guān)管交替推動(dòng)電流，利用中心抽頭變壓器來形成相位相反的交流電壓。當(dāng)其中一個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，從源流經(jīng)變壓器中心抽頭的電流逐漸上升，副邊感應(yīng)電壓經(jīng)整流后為輸出負(fù)載供電；當(dāng)另外一個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)工作同理，但對應(yīng)另一半繞組上電壓相位相反。兩個(gè)開關(guān)管交替開通，且開關(guān)管均屬于低邊側(cè)，參考點(diǎn)同為電源地，在驅(qū)動(dòng)控制上相對簡單，變壓器工作在雙向勵(lì)磁狀態(tài)，故而不另需要復(fù)位電路，電路設(shè)計(jì)也得到簡化。
值得注意是，當(dāng)S1導(dǎo)通時(shí)，N1繞組上承載的電壓為全部輸入電壓，這個(gè)電壓會(huì)同時(shí)耦合到N1’繞組上，因此S2在關(guān)斷期間承受的峰值電壓實(shí)為兩倍輸入電壓，所以推挽電路一般用在低壓輸入的中小功率場合。除此之外，如果不是對稱交替開關(guān)，也即兩個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間不一致，在各自導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)內(nèi)勵(lì)磁電流將不正負(fù)對稱，進(jìn)而導(dǎo)致交替開關(guān)后磁芯不能完全復(fù)位，交變磁通量中包含直流偏磁分量，可能會(huì)導(dǎo)致磁路飽和。為了避免偏磁，在使用推挽式拓?fù)鋾r(shí)盡量使用一對一致性較好的開關(guān)管，變壓器設(shè)計(jì)時(shí)還可留有適當(dāng)氣隙，增大飽和磁通量。
全橋式拓?fù)?/p>
相較于半橋推挽式拓?fù)洌珮蚴酵負(fù)涞拈_關(guān)器件數(shù)量增加了一倍，但原邊繞組數(shù)量和開關(guān)管的耐壓僅為推挽結(jié)構(gòu)的一半。兩路橋臂中同一橋臂上下兩開關(guān)管呈交替導(dǎo)通，兩橋臂間互為對角的兩個(gè)開關(guān)管則同時(shí)導(dǎo)通，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)承受的電壓則為全部輸入電壓。變壓器繞組跨接在兩路橋臂中點(diǎn)，加載在繞組上的電壓經(jīng)交替開關(guān)后變成了交流電壓，實(shí)現(xiàn)雙向勵(lì)磁，對磁芯的利用率較高。
全橋拓?fù)浜屯仆焓酵負(fù)涔餐媾R的一個(gè)問題就是變壓器繞組在被交替開關(guān)驅(qū)動(dòng)時(shí)，必須是對稱的驅(qū)動(dòng)，否則也會(huì)有偏磁的問題。如若導(dǎo)通時(shí)間不對稱，則加載在繞組上伏秒積在相應(yīng)的導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)就不相等，磁芯的磁化曲線也會(huì)越來越偏離原點(diǎn)。好在全橋式拓?fù)渥儔浩鹘Y(jié)構(gòu)簡單，沒有中心抽頭，在變壓器初級繞組上串聯(lián)一個(gè)隔直電容就能避免偏磁，簡單而有效。
圖9.帶有隔直電容的全橋式變換器
關(guān)于全橋式變壓器驅(qū)動(dòng)器，英飛凌的2EP1XXR系列是一款頻率和占空比可調(diào)的全橋變壓器驅(qū)動(dòng)器，為搭建最高13W的隔離電源提供簡單靈活的解決方案，器件支持4.5~20V的寬范圍直流電壓供電，支持占空比調(diào)節(jié)，可滿足不同隔離輸出電壓的需求，并集成溫度、短路和UVLO保護(hù)功能，有助于提高系統(tǒng)的可靠性，且驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部集成功率全橋，占用空間小，僅需要變壓器即可完成設(shè)計(jì)，大幅降低隔離DC/DC電源的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，在復(fù)雜的環(huán)境中保障系統(tǒng)的安全于穩(wěn)定運(yùn)行。詳細(xì)產(chǎn)品信息可參考：新品 | 2EP1xxR - 頻率和占空比可調(diào)的驅(qū)動(dòng)電源用20V全橋變壓器驅(qū)動(dòng)器
基于2EP1XXR系列驅(qū)動(dòng)IC，現(xiàn)在還提供多款評估板可供申領(lǐng)使用，無論是從事太陽能、電動(dòng)汽車充電還是儲(chǔ)能系統(tǒng)等應(yīng)用，都可選擇這款評估版作為新穎驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)，升級驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，減小PCB面積，降低成本，新品 | 頻率和占空比可調(diào)的驅(qū)動(dòng)電源用全橋變壓器驅(qū)動(dòng)器評估板。
結(jié)語
在設(shè)計(jì)一款隔離式電源時(shí)，硬件復(fù)雜性和噪聲耦合是避不開的問題，尤其是在在中低功率水平下，成本、尺寸和效率收益都會(huì)影響一個(gè)設(shè)計(jì)方案最終的選擇。在大多數(shù)使用反激、推挽或全橋拓?fù)涞膱龊希家紤]變壓器漏感帶來的EMI和器件開關(guān)應(yīng)力問題，而為了降低漏感又常將繞線緊密耦合甚至繞組交錯(cuò)，這又使得初次級間的寄生電容增大，故而不得不在變壓器設(shè)計(jì)上投入更高成本。LLC拓?fù)淇梢园炎儔浩鞯穆└凶鳛橹C振的一部分，漏感能量不會(huì)浪費(fèi)在初級對器件造成額外的開關(guān)應(yīng)力，對EMI友好，但是PFM控制復(fù)雜，需要昂貴的專用控制芯片。因此，無論是使用哪種拓?fù)洌思婢咝阅芎挽`活性，綜合成本也是主要考慮因素。
（作者：肖淼淼，來源：英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體）
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