中小功率AC-DC電源適配器的高效率研究.pdf

1、電能作為21世紀(jì)最清潔的二次能源之一，不僅是當(dāng)今人類文明存在的重要基石，也是全球社會發(fā)展的主要動力保障。自上世紀(jì)90年代以來，隨著環(huán)境保護(hù)意識在全球范圍內(nèi)的日益普及，可持續(xù)性發(fā)展已逐漸成為全社會的共識。各國能源組織及相關(guān)科研機(jī)構(gòu)順應(yīng)時代發(fā)展潮流，積極地引領(lǐng)科學(xué)研究方向，鼓勵工業(yè)技術(shù)革新，“高效、節(jié)能、減排”成為當(dāng)前社會發(fā)展的重要研究內(nèi)容之一。電力電子技術(shù)作為控制與變換電能的主要技術(shù)手段理應(yīng)在人類社會的可持續(xù)性發(fā)展過程中充當(dāng)重要的角色，成

2、為“高效、節(jié)能、減排”的領(lǐng)跑者。隨著近年來消費類電子產(chǎn)品市場的不斷膨脹，全球外部AC/DC電源適配器的銷售量也得到了迅猛的增長，但在刺激市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時也帶來了嚴(yán)峻的能源環(huán)境問題。本文緊跟當(dāng)前的國際研究熱點，就外部AC/DC電源適配器在中小功率等級應(yīng)用場合中的高效率能量變換以及高功率密度實現(xiàn)進(jìn)行了深入的研究與討論。
　　 本文在解析歸納中小功率等級外部AC/DC電源適配器整機(jī)功率變換結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，首先就部分具有較高變換效率的D

3、C/DC變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究與探討。針對傳統(tǒng)移相全橋變流器的固有問題，本文提出了一種新型的同步整流軟開關(guān)移相全橋變流器，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)所有半導(dǎo)體器件較寬的軟開關(guān)范圍，同時還能降低二次側(cè)整流管的電壓應(yīng)力，整機(jī)變換效率相比于傳統(tǒng)移相全橋變流器具有顯著的提高。但是由于傳統(tǒng)PWM定頻移相控制技術(shù)通常難以保證傳統(tǒng)降壓型全橋變流器寬范圍地工作于臨界連續(xù)導(dǎo)通模式(BCM)，因此在高端電壓輸入條件下全橋變流器往往只能工作于斷續(xù)模式(DCM)，該工作模

4、式下的變換效率則普遍低于BCM模式。本文針對該問題提出了一種新型的BCM變頻控制同步整流軟開關(guān)全橋變流器，有效擴(kuò)展了BCM模式的有效工作范圍，適合寬電壓輸入范圍的應(yīng)用場合，也有利于前級PFC控制策略及輸出母線電容的設(shè)計。另外，雖然LLC諧振DC/DC變流器在整機(jī)變換效率以及功率密度方面具有突出的優(yōu)勢，但是其較為復(fù)雜的工作原理分析及電路參數(shù)設(shè)計過程在很大程度上延緩了實際項目的研發(fā)進(jìn)度，成為該變流器發(fā)展和推廣的主要瓶頸。本文利用頻域基波近似

5、分析法從變換效率的角度出發(fā)，基于整機(jī)的損耗評估，提出了一套通用的優(yōu)化設(shè)計策略，并在此基礎(chǔ)上以工程應(yīng)用為背景，提出了一套簡化的優(yōu)化設(shè)計策略，能夠為實際的應(yīng)用設(shè)計提供有力的參考，有利于縮短項目研發(fā)周期。
　　 本文針對該問題就部分具有較高變換效率的二次側(cè)整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及相關(guān)的控制技術(shù)進(jìn)行了研究與討論。本文分析總結(jié)了現(xiàn)有的傳統(tǒng)中心抽頭式容性整流濾波電路在二次側(cè)整流管電壓應(yīng)力、輸出電流紋波以及輸出電壓紋波等方面存在的固有問題，同時解析了

6、一種具有良好整流管電壓應(yīng)力箝位效果的中心抽頭式容性整流濾波電路，并在此基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)型低電壓應(yīng)力低電流紋波的容性整流濾波對稱電路，不僅能夠在很大程度上降低二次側(cè)整流管的電壓應(yīng)力以及二次側(cè)的導(dǎo)通損耗，提高整機(jī)的變換效率，還能巧妙地利用變壓器繞組漏感與輸出側(cè)濾波電容組成L-C濾波器，降低輸出電壓紋波，簡化輸出側(cè)容性濾波器的設(shè)計。電流型同步整流驅(qū)動技術(shù)通常能夠?qū)崿F(xiàn)二次側(cè)同步整流管的可靠驅(qū)動控制，使其工作特性等效為具有超低導(dǎo)通壓降的整流二

7、極管，消除電壓型同步整流驅(qū)動技術(shù)在控制時可能存在的能量回流隱患。但是應(yīng)用于LLC諧振DC/DC變流器的傳統(tǒng)電流型同步整流驅(qū)動技術(shù)通常只能將電流互感器串聯(lián)于二次側(cè)才能實現(xiàn)負(fù)載電流的檢測，這不僅增加了電流采樣電路的損耗，電流互感器自身較大的體積尺寸也會使二次側(cè)PCB的布板走線變得復(fù)雜，不利于整機(jī)變換效率及功率密度的進(jìn)一步提高。本文專門針對LLC諧振DC/DC變流器提出了一種新型的一次側(cè)負(fù)載電流信號采樣技術(shù)，能夠有效地抵消一次側(cè)并聯(lián)諧振電感電

8、流對檢測結(jié)果產(chǎn)生的相移影響，實現(xiàn)同步整流管控制信號的一次側(cè)檢測，從而簡化二次側(cè)PCB的布板走線，提高整機(jī)的變換效率。
　　 本文還特別針對300W高效率外部AC/DC電源適配器及90W超薄外部AC/DC電源適配器在設(shè)計開發(fā)過程中的主要難點問題做了研究與討論。300W高效率外部AC/DC電源適配器采用兩級結(jié)構(gòu)，前級無橋硬開關(guān)Boost PFC變流器與后級LLC諧振DC/DC變流器的滿載整機(jī)變換效率都高于96％，從而確保電源適配器的

9、整機(jī)滿載變換效率在全球電網(wǎng)電壓輸入條件下始終高于92％，能夠基本滿足未來五年左右消費類市場對該功率等級的外部AC/DC電源適配器在高效節(jié)能方面的要求。90W超薄外部AC/DC電源適配器在全球電網(wǎng)電壓輸入條件下，25％-100％負(fù)載范圍內(nèi)的整機(jī)變換效率都能滿足80Plus要求，同時滿載效率高于91％，整機(jī)的功率密度達(dá)到1W/cm3(16.5W/in3)，能夠基本滿足未來消費類市場對該功率等級的外部AC/DC電源適配器在高功率密度方面的要求