高输入电压应用中的电源转换器拓扑组件选择

在智能电表和电机驱动等应用中，电源必须将高输入电压转换为微控制器或 IGBT 驱动器的低直流电压。例如，440V AC或480V AC是全球常见的三相交流电压，智能电表一般需要接入。在电机驱动应用中，我们可能会遇到更高的电压。

以较低的物料清单 (BOM) 成本将高输入电压转换为12V、5V 或3.3V 等低直流电压是一个有趣的话题，因为用于高压降压转换器的大多数商业组件都是为通用交流输入而设计的（85V交流电至264V交流电）。在这篇文章中，我将解释如何为高压降压转换做出明智的拓扑/组件选择。

在高压输入和直流输出之间不需要隔离的应用（如智能电表）中，降压转换器仍然是首选，因为它很简单。例如，85-318V IN、15V OUT、1A OUT、AC/DC 降压转换器 TI Designs 参考设计使用高端 DCM 降压转换器（图1所示的简化原理图）将电压从459V AC转换为15V DC . 在像这样的高压降压转换器设计中，我们需要解决两个因素：

· 续流二极管的反向恢复效应。

· 控制器的最小接通时间限制。

图1：非隔离式 AC/DC 转换器

请记住，续流二极管反向恢复引起的开关损耗会随着输入电压的增加而增加。开关损耗可能主导 MOSFET 的功耗，尤其是当转换器以连续导通模式 (CCM) 运行时。因此，如果我们希望 CCM 操作用于高压 AC/DC 非隔离转换，我们可能需要一个碳化硅 (SiC) 二极管来减少由于反向恢复效应而导致的开关损耗。例如，AC/DC 降压转换器具有85V AC -318V AC输入和15V0.8A 输出的 TI Designs 参考设计使用带有 CCM 降压转换器的 SiC 二极管来实现紧凑型辅助电源。

此外，在高压 AC/DC 转换中，降压转换器的占空比变得非常小。对于440V AC到15V DC的转换，DCM 降压转换器的占空比可能小于2%。当转换器以高开关频率运行时，可能会达到控制器的最小导通时间限制；例如，UCC28911需要至少420nS 的接通时间。换言之，如果我们在440V AC到15V DC转换中使用UCC28911作为降压转换器控制器，则转换器必须在低于45kHz 的开关频率下运行。

UCC28911是高压反激开关，无需使用光耦即可提供输出电压和电流调节。这两种装置都包含一个700-V功率FET和一个控制器，该控制器处理来自反激辅助绕组和功率FET的操作信息，以提供精确的输出电压和电流控制。用于启动的集成高压电流源，在设备运行期间关闭，控制器电流消耗随负载动态调整。两者都可以实现非常低的备用功耗。
UCC28911中的控制算法结合了开关频率和峰值一次电流调制，使运行效率达到或超过适用标准。采用带谷值开关的不连续传导模式（DCM）降低开关损耗。内置保护功能有助于在整个工作范围内检查二次和一次部件的应力水平。频率抖动有助于降低EMI滤波器成本。

对于需要隔离的高压降压应用，与其他拓扑相比，反激式转换器可能提供最低的 BOM 成本。此外，我们可以在具有宽输入电压范围的应用中使用反激式转换器。它的低成本和对宽输入电压的适用性使反激式转换器成为隔离式高压降压转换的首选。但是，反激式转换器要求其输入开关的电压额定值高于最大输入电压，这可能会大大增加 BOM 成本。例如，具有800V DC输入的反激式转换器可能需要具有1200V 额定值的输入开关（请参阅300V DC -800V DC输入、54W 四通道输出 PSR 反激式与 SiC-FET TI Designs 参考设计）。额定电压为1200V 的 MOSFET 通常很昂贵，即使我们排除了同样昂贵的 SiC MOSFET。

如果输出功率水平较低，我们可以使用低成本高压双极结型晶体管 (BJT) 作为反激式输入开关，例如具有 PSR 控制的超宽输入范围、双输出、离线 AC/DC 偏置电源和BJT 开关 TI 设计参考设计。高压 BJT 反激式设计的一件重要事情是高压 BJT 通常具有低直流增益。因此，我们必须确保设计中的峰值输入电流可以通过有限的 BJT 直流增益实现。

如果输出功率水平很高（>30W），请考虑使用 SiC MOSFET，就像我在300V DC -800V DC输入、54W 四通道输出 PSR 反激式和 SiC-FET TI Designs 参考设计中所做的那样，以获得更高的转换器效率，或在400V 至690V交流输入、50W 反激式隔离电源参考设计中使用共源共栅 MOSFET 配置（如图2所示），以降低 BOM 成本。

图2：具有级联 MOSFET 配置的反激式转换器