用于故障容受型高压电源的新型预稳压器设计

        讨论几种设计故障容受型电源的方法，其中包括新的预稳压器拓扑结构，该结构可简化电路设计及元件选择。
对抗相位故障
如果交流电源到电表之间出现错误连接故障，或是像空调或电磁炉等采用三相电源工作的大功率负载在两个相位之间的连接错误，电源输入端很有可能出现极高电压。为了在这些类型故障条件下生存，主AC-DC电源就必须能够承受约为常规交流主电源均方根(RMS)供电电压两倍的电压。
对于在美国(额定交流主电源电压为110VAC)工作的系统而言，通用交流主电源输入的常规开关电源(SMPS)能符合此要求。但是，在欧洲或亚洲，开关电源必须能够承受460V电压(整流后高于600VDC)。这可以通过修改标准开关电源输入来实现，方法是在输入端串联两个大电容。对于采用1,000V或更高额定电压MOSFET构建的经典反激转换器，或是使用共源共栅(cascode)连接的两颗MOSFET的修改型反激架构而言，这可能就满足需求了。
市场上没有适合的额定电压高于450V的大电容，因此，就要求串联2颗电容来支持600V或更高电压。由于电容串联连接，它们的值就会翻倍，使得维持时间的存储的总能量保持相同。为了避免两个电容之间出现不均衡的电压分配，应当为各个电容并联电阻。这就增加了I2R损耗，因此降低电源能效。而且，还要求额外的瞬态电压抑制器(TVS)，用于保护电容免受短路故障影响。
图1显示了为传统反激转换器供电修改的大电容电路。虽然此方法不要求额外的开关模块，但必须使用额定电压达1,000V或更高的MOSFET，用于支持输入端更高的故障电压，以及变压器反激电压。针对宽输入电压范围设计开关电源也要求相应的宽频率动态范围或MOSFET导通时间(ton)变化，以在更宽范围内维持稳压。此外，更高的MOSFET dV/dt也会增加开关损耗，导致能效降低，并增加电磁干扰(EMI)的风险。


图1：反激转换器中的串联大电容电路及单颗1,000V MOSFET


图2：MOSFET与开关稳压器采用共源共栅配置的高压输入开关电源

另一种方法是单颗MOSFET可以采用共源共栅配置的2颗MOSFET来替代，如图2所示。普通的700V开关稳压器结合600V功率MOSFET，足以承受反激电压与整流输入电压之和。如电路所示，60V MOSFET的栅极要求额外的TVS。与标准反激架构一样，开关电源的设计应当针对宽输入电压范围，并带有相应的大开关频率漂移或ton动态范围，以确保输出电压的稳压。开关损耗及复杂EMI信号的风险也相似。
又一种方法，是通过审慎的设计，使用带800V功率MOSFET或集成开关稳压器的经典拓扑结构来实现一种方案。然而，必须注意将变压器反射电压降至最小，从而将最大晶体管电压保持在低于800V，即使电源电压在故障条件下处于最高时(约620V )。这要求变压器具有小匝数比(Np/ Ns)及低初级电感。当输入电压高、输出功率低时MOSFET导通时间ton必须极短，而次级端二极管拥有长导电时间。


       
有几项因素会限制这类方案的性能、损及可靠性并增加成本。极短的导通时间ton可能滋生不稳定的稳压，迫使开关电源在非突发模式下降至低频工作。此外，虽然对于抗雪崩型功率MOSFET而言，10%的电压余量通常被认为足够，但非抗雪崩型器件应当考虑有2 0%的余量，以避免瞬态事件及启动相位期间出现任何问题。至于次级侧二极管，要求高反向电压能力，这通常需要高成本、大体积及大正向压降Vf (通常会降低能效)的二极管。
变压器漏电感产生的峰值电压应当保持在低于800V极限值的极低标准。这要求使用大的缓冲器电路，该电路会增加功率耗散，因而损及总能效。
新型预稳压器设计
一种新的可选方案建议在开关电源输入端插入稳压器，如图3所示。这就无需串联大电容及其相关的电路，且能使用传统反激转换器设计，以避免使用特殊高压元器件。


图3：预稳压器简化转换器设计，能够使用更小、更低成本的元器件

可以设计一个稳压器— 能够防止开关电源输入电压超过由输入整流器产生的380VDC常规最大电压。这就能够使用单个标准450V大电容及700V集成开关稳压器，而没有电压及设计问题。而且，通过进一步降低稳压输出电压以将开关电源输入电压保持在200VDC(140VACx2)的最低电压，还能获得更大的优势。预稳压器用作LDO，提供200VDC稳压电压，但它的开关特性避免了功率耗散过多、大散热片及可靠性问题。能够使用250V大电容，缩小尺寸并降低成本。开关电源缓冲器能用于控制及驱动预稳压器MOSFET。
为了达到最高能效，开关预稳压器与主电源同步，从而通过稳压器MOSFET，以最小的电压降为大电容提供能量。这可以将能效提升至约90%。此设计使用半波而非全波交流主电源整流，可以避免导通时间过短并降低开关损耗。这种预稳压器设计还提供在启动相位期间限制浪涌电流的电路。
系统中有了预稳压器，开关电源的设计也简化了。由于输入电压范围大幅减小，就不要求支持大的频率及导通时间ton变化范围。此外，使用较小的250V大电容，能够优化维持时间，而对总体尺寸及成本的影响极小，因为250V电容比450V电容更小、更经济。不仅如此，大电容较低的供电电压使缓冲器电路电容能够减小，而缓冲器阻抗可以相应增加。
减小的供电电压也提供更高的灵活性，可以设计带有更高反射电压能力的变压器，不仅可以降低缓冲器尺寸及能耗从而提升能效，还使次级二极管能够拥有更低的反向电压能力及相应更低的正向压降Vf。降低供电电压的更深层次优势是优化开关损耗及电磁干扰(EMI)。总体而言，预稳压器能够提升开关电源能效，显著减小尺寸并降低成本。
其它几个方面也值得一提。其一，标准交流主电源滤波器不要求修改，因为电流不会超过标准反激转换器最小供电电压提供的电流。此外，也可以省去用于限制浪涌电流的NTC器件，因为预稳压器的限流器现在可以提供此功能。开关电源也不要求半波或全桥整流器，因为整流在预稳压器之前已经完成了。
结论
这种200V 预稳压器就像超高能效的LDO，帮助简化支持超高输入电压的电源设计。它非常适合用于必须承受因中性线开路或两相之间错误连接导致的高输入电压的单相电源。
使用预稳压器帮助简化大电容选择，同时减小电容尺寸并减少电容数量。单个低压大电容拥有长维持时间，比要求两个大电容及平衡电阻的经典途径还节省空间及成本。250V大电容(而非450V大电容)配合使用技术更优化的电容，为高环境温度工作条件提供更长的使用寿命。
更深层次的优势是能使用单个700V集成开关稳压器来替代高压MOS FET及分立控制器，或是采用共源共栅连接的MOSFET与高压开关稳压器。此外，可以简化变压器设计及使用更小的次级端二极管。对于电表等应用而言这一点尤为关键，因为这类应用要求在严苛工作环境下提供超过10年的连续服务。