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AC-DC开关电源IGBT应用原理与主电路图

AC-DC开关电源IGBT应用原理与主电路图
作者：微叶科技 时间：2015-07-14 16:48

随着高速IGBT的推出，工作频率可达50kHz以上，IGBT有用于SMPS(Switch Mode Power Supplies，市电输入的开关电源)的趋势。

AC-DC开关电源的电路拓扑一般是指储能元件（开关变压器或者储能电感）和功率开关元件（IGBT、VMOS 等）的配置方式。

1.单端正激电路

单端正激式(Forward) SMPS拓扑的电路简图如图1所示。其中，单端是指主开关为单管电路，正激指的是主开关变压器初次级绕组的相位关系。图1 正激式拓扑电路系统简图
粗虚线框中的电路是功率开关电路，T是主开关变压器；Q1是功率寸姜，D21是次级整流二极管；D22是续流二被管；L21是储能电感，兼有扼流滤波作用；N1是主绕组（初级）；N4是复位绕组；N2是次级绕组；带箭头的虚线表明了瞬时电流的方向和路径。

所谓正激，即主开关变压器初、次级线圈的绕向是一样的，电气相位相同。这样做的好处是，Q1开通时，N2从初级绕组获得能量，向L21、C2l和负载RL提供能量；Q1关断时，L21内存储的能量向负载RL释放，D22为电感内能量的释放提供通路。同时，D2作为复位绕组N4的负载，在Q1关断期间消耗变压器磁心中存储的能量，使磁心复位。复位电路也可以像4. 25那样实现，在初级绕组上并联DRC(二极管、电阻、电容，Dll 、R11、C11)。

由于负载在Q1开通和关断期间都有能量（电流供应），因此正激式拓扑的输出纹波相对较小。

功率开关管Q1承受的最大直流电压约为主电路电压的1倍，电源输入为220V市电规格的条件下，Q1的电压规格至少为800V。如果采用了APFC 电路，则Q1的电压规格至少为1000V。

· EMI和PFC 电路在SMPS中很常见。

EMI电路主要是为了减小开关电源对电网的污染，PFC(功率因数校正）电路主要是为了提高开关电源的功率因数。EMI电路中的电容X、Y均要采用安规电容，不能用普通的电容替代，即使电压规格足够也不行。

PFC 电路有APFC(有源功率因数校正)和PPFC(无源功率因数校正)两大类。按照新的EMI规范，输出功率超过75W的电源均应该配置 PFC 电路。APFC 电路通常称为单管升压式APFC 电路，对于220V市电输入，Cl上的直流电压即主电源直流电压410V。

2．单端反激电路结构

单端反激式（Flyback) SMPS 电路简图如图2所示。粗虚线框中的电路是功率开关电路，T是主开关变压器，Q1是功率开关，D21是次级整流二极管；带箭头的虚线表明了瞬时电流的方向和路径。

图2 反激式拓扑电路系统简图
所谓反激，就是主开关变压器切换初、次级线圈的绕向是相反的，电气相位也相反：Q1开通时，T的次级N2从T的初级N1获得能量；Q1关断时，N2向负载RL释放能量，并对电容C21充电。

同时，D11、C11、R11构成磁心复位电路，在Q1关断期间消耗变压器磁心中存储的能量，使磁心复位。另外，这个复位电路还有电压钳位作用，将N1两端的电压钳制在安全范围内。

反激式拓扑的优点是，在功率开关Q1关断期间，T初级线圈的反向电压不会和C1上的电压相加。因此，在电源输入为220V市电的条件下，Q1的电压规格为600V以上即可；如果采用单管升压式APFC电路，则Q1的电压规格至少为700V。

正激式与反激式的主要区别参见表1。

表1 正激式与反激式拓扑的对比（以VMOS为主开关管）项目

正激式

反激式主开关管的电压规格（220V市电供电）

800V

600V储能电感L21的功能

储能兼滤波

滤波（非必须）续流二极管D22

必需

不要用主开关变压器T的磁心是否有气隙

无

有 主开关变压器的作用

与市电隔离

有

有变压

有

有储能电感

无

有主开关变压器线圈中的电流

小

大主开关变压器线圈中的损耗（铜损）

小

大主开关变压器的磁心

小

大次级自驱动同步整流

适合

不适合推荐的最大输出功率

150W

100W推荐的最大输出电流

15A以上

15A电源的输出纹波

小

大电源的综合效率

高

低电源的综合成本

高

低