Активные коммутаторы в мосте переменного тока увеличивают КПД

Повышение КПД преобразования энергии и удельной мощности всегда были основными целями отрасли источников питания. За последнее десятилетие был достигнут феноменальный прогресс благодаря разработке новых силовых устройств, схемных решений и специализированных микросхем. Эволюция MOSFET с суперпереходом, SiC диодов, а также новейших GaN МОП-транзисторов обеспечивает более высокий КПД переключения на более высоких частотах. Одновременно быстро внедряются новые современные топологии и соответствующие схемы управления. В результате теперь появилась реальная возможность обеспечить рабочий режим с оптимальным соотношением потерь проводимости и потерь переключения.

Однако диодный мост, который обычно используется в качестве входного выпрямителя сетевого напряжения, остается серьезной проблемой, препятствующей повышению КПД и плотности мощности. Прямое падение напряжения на высоковольтном выпрямительном диоде обычно составляет около 1 В. Это означает, что два диода на пути сетевого тока могут привести к общему снижению КПД более 1%, особенно при низком напряжении сети.

Например, рассмотрим один из самых популярных на сегодняшний день стандартов эффективности 80 Plus. 80 Plus Titanium требует пикового КПД 96% при напряжении 230 В AC и 94% при 115 В AC. При довольно высоком КПД второго каскада DC/DC преобразователя, находящемся на уровне 98%, на выпрямительный мост из-за высоких потерь проводимости может приходиться основная доля рассеиваемой мощности, выделенной на весь корректор коэффициента мощности (ККМ). Более того, диодный мост может стать самой нагретой точкой в источнике питания, ограничивая удельную мощность и создавая еще одну проблему для тепловых расчетов.

Снижение потерь энергии в выпрямительном мосте – следующая важная веха для отрасли источников питания. Уже выработаны подходы к решению этой проблемы, двумя наиболее популярными из которых являются безмостовые ККМ с двойным повышающим преобразованием и двухтактные ККМ. На Рисунке 1 показано, что в обеих топологиях количество выпрямительных диодов на пути сетевого тока уменьшено с двух до одного, что снижает потери проводимости в мосте.

Проводимые в настоящее время исследования и опытные конструкции демонстрируют многообещающие результаты. Однако пока эти решения не получили широкого распространения на массовом потребительском рынке, поскольку все еще не пройден путь разработки микросхем, поддерживающих эти сложные методы, которые обладали бы конкурентоспособной стоимостью при подтвержденной надежности. Безмостовые ККМ с двойным повышающим преобразованием требуют дополнительных крупных дросселей для подавления синфазных помех, что является серьезным недостатком с точки зрения стоимости и размеров. Для двухтактных ККМ обычно нужны дорогостоящие компоненты, такие как драйверы верхнего плеча и изолированные измерители тока. Мало того, большинство этих конструкций либо основано на цифровых сигнальных процессорах, либо, если в них используются обычные микросхемы контроллеров ККМ, содержат большое количество дискретных компонентов.

Рисунок 1.	Безмостовые топологии ККМ.

Вместо того чтобы ждать появления новой микросхемы контроллера для безмостовых топологий, другая простая и быстрая альтернатива может снизить потери мощности в мосте уже сейчас. Основная идея заключается в замене двух выпрямительных диодов нижнего плеча на MOSFET синхронного выпрямителя. При этом остальная часть схемы источника питания, включая все силовые каскады и микросхему контроллера, остается прежней. Рисунок 2 иллюстрирует концепцию использования микросхемы MP6925A компании MPS – двухканального драйвера синхронного выпрямителя, требующего небольшого количества внешних компонентов.

Рисунок 2.	Мост с MOSFET синхронного выпрямителя в нижнем плече.

Микросхема MP6925A обычно используется в резонансных LLC преобразователях. Она активно управляет двумя MOSFET, основываясь на измерениях напряжения сток-исток (V_СИ). При замене диодов в нижнем плече моста переменного тока используются два высоковольтных полевых транзистора с p-n переходом (Q_J1 и Q_J2) для ограничения высокого напряжения в процессе слежения за напряжением сток-исток (V_СИ). Когда ток протекает через один из паразитных диодов MOSFET, при достижении напряжением V_СИ отрицательного порогового значения драйвер включает соответствующий MOSFET. Во время проводящего состояния MOSFET драйвер регулирует напряжение соответствующего затвора, чтобы поддерживать V_СИ ниже определенного уровня до тех пор, пока ток не станет слишком низким, чтобы напряжение V_СИ достигло порога отключения. На Рисунке 3 показаны типичные осциллограммы в узлах работающей схемы.

Рисунок 3.	Типичные осциллограммы напряжений на MOSFET синхронных выпрямителей: а) входное напряжение 115 В AC, полная нагрузка; б) входное напряжение 115 В AC, нагрузка 20%.

Конкурентоспособный драйвер синхронного выпрямителя должен иметь возможность очень быстрого выключения. Например, при управлении затвором с эквивалентной емкостью 4.7 нФ MP6925A может отключить транзистор с задержкой всего в 35 нс. В результате этот выпрямитель может эффективно предотвращать возникновение любых обратный токов MOSFET. Такое быстродействие полезно и для самих MOSFET, поскольку исключает возможность их одновременного включения. Это гарантирует отсутствие сквозных токов и делает все решение очень надежным.

Эксперименты выполнялись на 120-ваттном сетевом адаптере, в котором в качестве активных ключей использовались 650-вольтовые MOSFET с сопротивлениями каналов 99 мОм, заменявшие два диода в нижнем плече моста. На Рисунке 4 видно, как улучшается КПД при замене диодов синхронными выпрямителями на MOSFET. При низком входном напряжении 115 В AC КПД при полной нагрузке увеличивается на 0.43%, что означает снижение общих потерь мощности более чем на 0.5 Вт. Для большинства приложений это является существенным улучшением как электрических характеристик, так и теплового режима.

Рисунок 4.	Экспериментальные результаты, полученные на примере 120-ваттного сетевого адаптера.

Топология с активным мостом, основанная на мощном синхронном выпрямителе, обеспечивает не требующую сложного проектирования альтернативу для решения проблем больших потерь мощности в диодных мостах обычных ККМ. Замена в мостах диодов с практически фиксированным прямым напряжением на MOSFET может уменьшить потери проводимости за счет более низкого сопротивления MOSFET в открытом состоянии. Более того, по сравнению с другими исследуемыми сложными безмостовыми топологиями, это решение основано на специализированной микросхеме контроллера, требующей небольшого количества внешних компонентов. Это делает замену нижнего плеча моста активным выпрямителем экономичным решением, готовым к использованию в практических приложениях.

Материалы по теме

1. Datasheet MPS MP6925A