拓扑结构对工业ac-dc电源可靠性的影响

拓扑是什么？在开关电源中，存在着各种元器件，他们的连接或相互关系是一种网络，我们把这种元器件的特定连接关系称为拓扑。

提高工业ac-dc电源可靠性的关键在于降低功率元件的热、电压和电流应力，这主要是输入电压和所需功率的函数。虽然热应力是额定功率的函数，但电源效率也起着重要作用。因此，可选择有助于减轻这些应力的拓扑，下面探索下拓扑结构对工业ac-dc电源可靠性的影响。

在一个94.5%效率、500W的工业ac-dc电源参考设计中，前端功率因数校正（PFC）级是交错式过渡模式升压拓扑，单级连续导通模式（CCM）升压拓扑结构也是一个可行选择。拓扑选择主要是出于器件压力的考虑，交错式拓扑，因两级并联工作，将功率元件（升压电感、开关金属氧化物半导体场效应晶体管[MOSFET]和整流二极管）中的电流应力降低了两倍。

下图为两种拓扑的简化图：

因导通应力显著降低，过渡模式PFC在降低开关应力方面具有优势。当输入电压低于输出电压的一半时，过滤模式下的电压切换为零，即使输入电压较高，电压切换水平也会显著降低。在所有条件下，MOSFET和整流器都有零电流开关（ZCS）。ZCS操作导致整流二极管中的反向恢复几乎消除，这也有助于减小应力并降低电磁干扰（EMI）。虽然减少EMI不能提供直接的可靠性优势，但EMI滤波器元件数量的减少以及敏感电路段噪声拾取的可能性降低，可间接地有助于提高整个电源的可靠性。

考虑热应力时，交错的过渡模式升压拓扑再次比CCM拓扑更有利。在交错过渡模式拓扑中，组件在较低温度下运行，与CCM拓扑相比，更多组件共享几乎相同的功率损耗。在温度降低条件下操作对电源可靠性具有相当大的影响，尤其是在没有强制通风设备的系统中。

交错操作大大降低了输入和输出电容中的纹波电流。这是一个重要的考虑因素，特别是铝电解电容，它是决定整体电源可靠性的最薄弱环节之一。在PFC应用中，纹波电流是决定输出电容寿命的重要因素。应该看到纹波电流的降低不仅是对规格的降额，而且更显著的是由于功耗降低导致的温度降低。

对于DC/DC级，电感-电感-电容（LLC）拓扑结构是首选，因为它具有降低的开关应力，不过会增加电流应力。在略高于谐振频率的满载下工作可最大限度地减小电流应力的增加，同时避免由于ZCS关断而导致的输出同步MOSFET体二极管反向恢复。

该设计实现了接近95%的效率，而不会增加太多复杂性。PFC级效率在230 V时高于98%，在115 V时高于96.5%，LLC级的效率高于96.5%。拓扑和组件选择是影响此性能的因素，另一个需要考虑的重点是电路在其工作范围内的效率，在其使用寿命期间，它可能并不总是在满载或接近满载的情况下运行。因此，在广泛的操作区域内实现良好的效率非常重要，这使PFC和LLC功率级在选择控制器时变得重要。

如上图所示：该设计中使用的两个控制器（用于PFC的UCC28064A和用于LLC的UCC256301）具有在宽工作范围内提供效率优势的控制技术。该设计中使用的UCC24612，同步整流器控制器和驱动器，通过实现近乎理想的二极管仿真来降低输出整流器损耗，并间接降低初级侧损耗。这些控制器设备对提高整体可靠性的贡献并非无关紧要。

在工业ac-dc电源应用中，必须选择可以减少组件压力的拓扑结构。交错的过渡模式升压拓扑和LLC拓扑是比其他拓扑更好的选择，因为可减少组件压力。拓扑结构选择应考虑将功率损耗分配给更多组件，且提高效率尤为重要，因为热应力与其直接相关。

在工业4.0和工业物联网的潮流下，工业自动化和工业设备市场增长迅速，而提供枢纽动力的电源，需求也在不断提高。高功率密度、高集成度、模块化、追求更小尺寸、更高可靠性成为当前ac-dc电源模块产品的主要发展趋势。