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换器拓扑|如何正确使用合适的功率器件以满足工业电源要求

【 换器拓扑|如何正确使用合适的功率器件以满足工业电源要求】在工业应用中，AC/DC 电源转换与消费类和大众市场设计迥然不同。通常，工业应用的电压、电流和功率水平相对更高，对热应力和电应力的稳健性有额外要求，对活动和待机模式有严格的监管规定，还必须监控当前工作状态以形成反馈回路并进行故障检测。
在这些情况下，有效设计的关键在于电源转换器控制电路或转换器的核心器件，以及功率开关器件及其支持组件。这些器件主要用于实现选定的电源拓扑，以所需的电压和电流提供稳定的直流输出。转换器可以包含集成功率器件，抑或作为碳化硅功率器件等外部分立功率器件的控制器和驱动器。有些转换器为整个系统提供稳定的直流电源轨，另一些的功能则不甚显著，但仍起着至关重要的作用，充当具有特殊通断属性的栅极驱动器。
本文介绍了适用于工业电源应用的各种电源转换器拓扑，以及设计人员在选择拓扑及其相关元器件之前必须考虑的因素。此外，还介绍了ROHM Semiconductor 推出的相关元器件及其有效应用。
电源转换器拓扑选择
选择电源转换器以开发满足工业应用苛刻要求的电源时，设计人员必须在多个选项和利弊权衡与项目优先考虑因素之间取得平衡。实现方法众多，但最常用的是先估算电源所需功率，并考虑是否需要输入和输出隔离。这两个因素可划出电源转换器拓扑的可能选择。
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换器拓扑|如何正确使用合适的功率器件以满足工业电源要求
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请注意，上述均为开关模式电源拓扑，而非线性模式电源。线性电源的能效较低，仅为 20% 至 40%，只有迫切需要极低输出噪声的利基市场应用才可接受。工业设备则鲜少要求如此之低的功率相关噪声。
事实上，确定“合适”的方法往往无法简单敲定，毕竟影响决定的因素有很多，例如：
基本性能：包括输入和输出调节以及瞬态响应
稳健性：在某些情况下，有些方法对电应力和热应力的耐受性更强
工作模式：包括连续电源、脉冲电源和高间歇性电源
超出电源额定功率的要求
解决方案成本
隔离需求
能效：词虽简短，含义颇深
几乎所有工业电源转换器都需要进行交流线路隔离，通常使用变压器实现升压/降压，确保用户安全和系统性能。不过，即便使用初级侧变压器，某些转换器仍需要内部输入/输出隔离，可用于转换器运行、多个电源轨之间的电气隔离或高压轨自举。输入/输出隔离可通过外加变压器或光耦合器来实现。
能效要求决定了许多设计选择
围绕工业电源转换器的讨论全都将能效作为首要关注点。电池供电设备的能效与运行时间密切相关，AC/DC 转换器则有所不同，影响其能效的因素包括：
运行成本：许多工业应用的功率要求可达数百甚至数千瓦，而且多数应用都须全天候运行，这就显得尤为重要。
散热：由于空气流通受限或缺乏主动式冷却，许多设备的环境温度可能很高。过热会使元器件产生应力，缩短故障间隔，需要更换停机时间并增加成本。电源转换器能效低会加重环境热负荷。
监管问题：许多标准和规定中的最低能效均由应用、功率水平和区域决定。此外，这些标准还定义了允许的最小功率因数，因而电源转换器和电源中可能需要添加功率因数校正功能。
简单的数学计算即可说明为何略微提高能效也至关重要且极富效用。试想一下，将电源转换器能效由 65% 提高至 70%——看似只提高了 5 个百分点。从另一个角度来看：无功功率由 35% 降至 30%。改进虽同样是 5 个百分点，但是就无功功率而言，共降低了 5/35，即约 14%。因此，将能效由 65% 提高至 70%，可使无功功率降低约 14%，从而降低成本和热负荷，避免可能需要的额外冷却。这是一项显著改进，会直接反映在热设计要求和运行成本中。
实现更高的能效
在 AC/DC 转换器设计中，不存在所谓“魔弹式”能效提高法，设计人员费尽心机往往也只能略微提高能效。但是，通过几种大小策略组合反而有效：
选择合适的转换器核心拓扑，确定最适合该方法和功率水平的开关频率；该频率通常在 100 kHz 至 1 MHz 之间。
优化电路：所有基本设计中都有许多细节会产生无功功率，电源设计人员已经找到了相应方法，在一定或很大程度上使其最小化；每个方面可能只有些许改进，但积少成多。
使用本质上有助于提高能效的有源和无源元件；对于功率器件和某些二极管，则表示要改用基于 SiC 工艺技术的元器件。
凭借较小的导通电阻及其在高温下的卓越性能，如今 SiC 已成为下一代低损耗开关和阻断元件最可行的候选材料。相较于硅器件，SiC 器件具有众多优势，因为后者具有更高的击穿电压及其他特性，包括：
临界电场击穿电压更高，因而在给定的额定电压下工作时漂移层更薄，大幅减小导通电阻。
导热率更高，因而在横截面上可以实现更高的电流密度。
带隙更宽，因而高温下的漏电流较小。因此，SiC 二极管和 FET 常称为宽带隙器件。
作为与硅器件的粗略“数量级”比较，基于 SiC 的 MOSFET 器件阻断电压是前者的 10 倍，开关速度约是其 10 倍，25℃ 时的导通电阻只有其一半或更小。同时，工作温度最高可达 200℃，因而使热设计和热管理得以简化。


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