基于软开关技术的能量恢复电路及其检测

尽可能降低功耗、在节省成本的前提下提高功率密度，是现代高效开关电源所面对的重要挑战。开关电源的设计目标是降低功率的通态损耗和开关损耗[1]。
不影响功率密度和成本并且能够优化功率通态损耗的目的很难实现，因为这需要很多材料和元件，需要各种晶片，或增大铜线面积。与通态损耗不同，降低功率开关损耗而不大幅提高电源成本比较容易做到。本文重点论述的电路采用软开关法，能效比优于碳化硅二极管。
1 能量恢复电路
该电路参照软开关[2]要求而设计，如图1所示。为了恢复线圈L贮存的能量，在升压线圈LB附近新增加了两个二极管 D1和D2，另外还有两个辅助线圈NS1和NS2。

1.1 概念描述
在晶体管TR导通时，线圈NS1可以恢复升压二极管DB上流过的反向恢复电流IRM[3]。交流输入电压还调制升压二极管电流IDB及其相关的反向恢复电流IRM。该调制过程让流经线圈L的反向恢复电流IRM被线圈NS1重置。当晶体管关断时，辅助线圈NS2把小线圈L的额外电流注入到输出电容。流经小线圈L的电流通过二极管D2消失在体电容内。当dI/dt斜率较低时，如在开关变换器断续情况下，附加线圈NS1和NS2将影响到关断二极管D1和D2；二极管反向恢复电流IRM也不会影响电路特性。
1.2 相位时序描述
变压比m1和m2是线圈NS1和NS2分别与NP的比值。
在t0前，恢复电路的特性与传统升压转换器的特性相同。
在t0时，功率晶体管导通，DB的电流等于I0。在t0+时，电流软开关启动，无开关损耗。在t0后，流经DB的电流线性降至-IRM。
在t1+时，升压二极管DB关断。由于反射电压VNS1低，为了消除二极管D1上的反向恢复电流产生的不良效应，需要保持dI/dt_D1为低斜率。但是，在这个相位期间，升压二极管DB被施加了一个高反向电压。这个特性需要这种应用加上一个二极管，以使得二极管反向恢复电流IRM与击穿电压保持精确平衡。
在t2时，二极管D1上的电流为0 A，恢复电路变成了一个比较传统的功率升压变换器。
在t3时，功率晶体管关断。与此同时，主线圈上的电压极性也发生变化，直到DB二极管重新导通。
在t4时，二极管D2上的电流达到0 A，恢复电路又变成一个传统的功率升压变换器，仅有升压二极管DB导通。
电路需用到一个击穿电压高于600 V的特殊二极管。此外，还需优化这个二极管的反向恢复电流，防止功率晶体管TR在t1～t2相序期间内受到较高的电流的冲击。
1.3 计算m2和m1变压比
为了在t1～t2和t3～t4相序期间能够符合断续模式，图2显示的时间td1和td2应为正值。根据连续导通工作模式CCM（Continuous Conduction Mode）功率因数校正的原理和tD1_ON、tD2_ON的结果，可以确定变压比m1和m2。

其中，PIN是功率因数校正电路（PFC）[4]的输入功率，FS是开关频率；VmainsRMSmax是电路电压最大值；IRMmax是在导通电流变化率和最高工作结温条件下的反向恢复电流最大值。
2 450 W功率因数校正电路的电能恢复电路
为展示恢复电路的优点，制作了一个VmainsRMS为90～260 V的通用系列450 W功率因数校正器，该系列产品采用硬开关模式和一个标准均流式 PWM控制器。从导通情况、能效比较和热量测量3个方面将电能恢复电路和碳化硅肖特基二极管进行了比较。
2.1 恢复电路设计
在测量电能恢复电路时使用了特定的二极管，图1中DB采用STTH8BC065DI，D2采用STTH8BC060D，D1采用STTH5BCF060。
2.2 恢复电路的典型波形
图3所示是200 kHz的功率因数校正电路的典型电能恢复电路波形。每次功率晶体管导通时，就会发生一次电流软开关操作。这条曲线突出表明D1、D2两个二极管总是处于断续状态；D1恢复DB的IRM电流；而D2则通过功率因数校正电路中的体电容发送线圈L储存的电流。在t0～t1和t4～t5相序期间，一旦D2关断，功率晶体管的漏极电压将立即降低，同时消除了关断损耗。

2.3 能效比较
在两个相同的Vmains电压和140 kHz相同开关频率的条件下对电能恢复电路和SiC肖特基二极管进行了能效比较，如图4和图5所示。当电源电压为230 VRMS时，在加全负载的条件下，恢复电路比8 A SiC二极管省电约2.25 W，在负载100 W时省电约1 W。

在加低负载的条件下，由于恢复电路关断损耗比SiC二极管低，NS2 产生的反射电压仍然可以提高电能恢复电路的能效。但若功率因数校正电路工作于断续模式（<100 W），电能恢复电路将与SiC二极管的能耗相同，如图4所示。
在电压为90 VRMS时，软开关方法的优势与功率晶体管体电容COSS放电节省的能量加在一起进一步突出了电能恢复电路的优点。在输出功率达到450 W时，电能恢复电路相比较SiC二极管省电约5.4 W；在低负载的情况下，由于没有关断损耗，电能恢复电路比SiC二极管省电约1.7%。加强了软开关法电能恢复电路和COSS放电降低能耗的优势，尤其是在低负载的条件下这种优势将更为明显。