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中小功率AC/DC电源适配器的高效率研究

赵晨  
【摘要】: 电能作为21世纪最清洁的二次能源之一,不仅是当今人类文明存在的重要基石,也是全球社会发展的主要动力保障。自上世纪90年代以来,随着环境保护意识在全球范围内的日益普及,可持续性发展已逐渐成为全社会的共识。各国能源组织及相关科研机构顺应时代发展潮流,积极地引领科学研究方向,鼓励工业技术革新,“高效、节能、减排”成为当前社会发展的重要研究内容之一。电力电子技术作为控制与变换电能的主要技术手段理应在人类社会的可持续性发展过程中充当重要的角色,成为“高效、节能、减排”的领跑者。随着近年来消费类电子产品市场的不断膨胀,全球外部AC/DC电源适配器的销售量也得到了迅猛的增长,但在刺激市场经济发展的同时也带来了严峻的能源环境问题。本文紧跟当前的国际研究热点,就外部AC/DC电源适配器在中小功率等级应用场合中的高效率能量变换以及高功率密度实现进行了深入的研究与讨论。 本文在解析归纳中小功率等级外部AC/DC电源适配器整机功率变换结构的基础上,首先就部分具有较高变换效率的DC/DC变流器拓扑结构进行了研究与探讨。针对传统移相全桥变流器的固有问题,本文提出了一种新型的同步整流软开关移相全桥变流器,不仅能够实现所有半导体器件较宽的软开关范围,同时还能降低二次侧整流管的电压应力,整机变换效率相比于传统移相全桥变流器具有显著的提高。但是由于传统PWM定频移相控制技术通常难以保证传统降压型全桥变流器宽范围地工作于临界连续导通模式(BCM),因此在高端电压输入条件下全桥变流器往往只能工作于断续模式(DCM),该工作模式下的变换效率则普遍低于BCM模式。本文针对该问题提出了一种新型的BCM变频控制同步整流软开关全桥变流器,有效扩展了BCM模式的有效工作范围,适合宽电压输入范围的应用场合,也有利于前级PFC控制策略及输出母线电容的设计。另外,虽然LLC谐振DC/DC变流器在整机变换效率以及功率密度方面具有突出的优势,但是其较为复杂的工作原理分析及电路参数设计过程在很大程度上延缓了实际项目的研发进度,成为该变流器发展和推广的主要瓶颈。本文利用频域基波近似分析法从变换效率的角度出发,基于整机的损耗评估,提出了一套通用的优化设计策略,并在此基础上以工程应用为背景,提出了一套简化的优化设计策略,能够为实际的应用设计提供有力的参考,有利于缩短项目研发周期。 在大部分的低压大电流输出应用场合中,二次侧的整流电路损耗通常在整机总损耗中占有相当大的比重。本文针对该问题就部分具有较高变换效率的二次侧整流拓扑结构以及相关的控制技术进行了研究与讨论。本文分析总结了现有的传统中心抽头式容性整流滤波电路在二次侧整流管电压应力、输出电流纹波以及输出电压纹波等方面存在的固有问题,同时解析了一种具有良好整流管电压应力箝位效果的中心抽头式容性整流滤波电路,并在此基础上提出了一种改进型低电压应力低电流纹波的容性整流滤波对称电路,不仅能够在很大程度上降低二次侧整流管的电压应力以及二次侧的导通损耗,提高整机的变换效率,还能巧妙地利用变压器绕组漏感与输出侧滤波电容组成L-C滤波器,降低输出电压纹波,简化输出侧容性滤波器的设计。电流型同步整流驱动技术通常能够实现二次侧同步整流管的可靠驱动控制,使其工作特性等效为具有超低导通压降的整流二极管,消除电压型同步整流驱动技术在控制时可能存在的能量回流隐患。但是应用于LLC谐振DC/DC变流器的传统电流型同步整流驱动技术通常只能将电流互感器串联于二次侧才能实现负载电流的检测,这不仅增加了电流采样电路的损耗,电流互感器自身较大的体积尺寸也会使二次侧PCB的布板走线变得复杂,不利于整机变换效率及功率密度的进一步提高。本文专门针对LLC谐振DC/DC变流器提出了一种新型的一次侧负载电流信号采样技术,能够有效地抵消一次侧并联谐振电感电流对检测结果产生的相移影响,实现同步整流管控制信号的一次侧检测,从而简化二次侧PCB的布板走线,提高整机的变换效率。 本文还特别针对300W高效率外部AC/DC电源适配器及90W超薄外部AC/DC电源适配器在设计开发过程中的主要难点问题做了研究与讨论。300W高效率外部AC/DC电源适配器采用两级结构,前级无桥硬开关Boost PFC变流器与后级LLC谐振DC/DC变流器的满载整机变换效率都高于96%,从而确保电源适配器的整机满载变换效率在全球电网电压输入条件下始终高于92%,能够基本满足未来五年左右消费类市场对该功率等级的外部AC/DC电源适配器在高效节能方面的要求。90W超薄外部AC/DC电源适配器在全球电网电压输入条件下,25%-100%负载范围内的整机变换效率都能满足80Plus要求,同时满载效率高于91%,整机的功率密度达到1W/cm3(16.5W/in3),能够基本满足未来消费类市场对该功率等级的外部AC/DC电源适配器在高功率密度方面的要求。


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