對抗相位故障

如ru果guo交jiao流liu電dian源yuan到dao電dian表biao之zhi間jian出chu現xian錯cuo誤wu連lian接jie故gu障zhang，或huo是shi像xiang空kong調tiao或huo電dian磁ci爐lu等deng采cai用yong三san相xiang電dian源yuan工gong作zuo的de大da功gong率lv負fu載zai在zai兩liang個ge相xiang位wei之zhi間jian的de連lian接jie錯cuo誤wu，電dian源yuan輸shu入ru端duan很hen有you可ke能neng出chu現xian極ji高gao電dian壓ya。為wei了le在zai這zhe些xie類lei型xing故gu障zhang條tiao件jian下xia生sheng存cun
，主zhuAC-DC電源就必須能夠承受約為常規交流主電源均方根(RMS)供電電壓兩倍的電壓。

對於在美國(額定交流主電源電壓為110VAC)工作的係統而言，通用交流主電源輸入的常規開關電源(SMPS)能符合此要求。但是
，在歐洲或亞洲，開關電源必須能夠承受460V電壓(整流後高於600VDC)。這可以通過修改標準開關電源輸入來實現
，方法是在輸入端串聯兩個大電容。對於采用1,000V或更高額定電壓MOSFET構建的經典反激轉換器，或是使用共源共柵(cascode)連接的兩顆MOSFET的修改型反激架構而言，這可能就滿足需求了。

市場上沒有適合的額定電壓高於450V的大電容
，因此，就要求串聯2顆電容來支持600V或(huo)更(geng)高(gao)電(dian)壓(ya)。由(you)於(yu)電(dian)容(rong)串(chuan)聯(lian)連(lian)接(jie)
，它(ta)們(men)的(de)值(zhi)就(jiu)會(hui)翻(fan)倍(bei)，使(shi)得(de)維(wei)持(chi)時(shi)間(jian)的(de)存(cun)儲(chu)的(de)總(zong)能(neng)量(liang)保(bao)持(chi)相(xiang)同(tong)。為(wei)了(le)避(bi)免(mian)兩(liang)個(ge)電(dian)容(rong)之(zhi)間(jian)出(chu)現(xian)不(bu)均(jun)衡(heng)的(de)電(dian)壓(ya)分(fen)配(pei)
，應(ying)當(dang)為(wei)各(ge)個(ge)電(dian)容(rong)並(bing)聯(lian)電(dian)阻(zu)。這(zhe)就(jiu)增(zeng)加(jia)了(le)I2R損耗，因此降低電源能效。而且，還要求額外的瞬態電壓抑製器(TVS)，用於保護電容免受短路故障影響。

圖1顯示了為傳統反激轉換器供電修改的大電容電路。雖然此方法不要求額外的開關模塊
，但必須使用額定電壓達1,000V或更高的MOSFET，用於支持輸入端更高的故障電壓，以及變壓器反激電壓。針對寬輸入電壓範圍設計開關電源也要求相應的寬頻率動態範圍或MOSFET導通時間(ton)變化，以在更寬範圍內維持穩壓。此外，更高的MOSFET dV/dt也會增加開關損耗
，導致能效降低，並增加電磁幹擾(EMI)的風險。

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另一種方法是單顆MOSFET可以采用共源共柵配置的2顆MOSFET來替代，如圖2所示。普通的700V開關穩壓器結合600V功率MOSFET
，足以承受反激電壓與整流輸入電壓之和。如電路所示，60V MOSFET的柵極要求額外的TVS。與標準反激架構一樣
，開關電源的設計應當針對寬輸入電壓範圍，並帶有相應的大開關頻率漂移或ton動態範圍，以確保輸出電壓的穩壓。開關損耗及複雜EMI信號的風險也相似。

又一種方法
，是通過審慎的設計，使用帶800V功率MOSFET或集成開關穩壓器的經典拓撲結構來實現一種方案。然而，必須注意將變壓器反射電壓降至最小
，從而將最大晶體管電壓保持在低於800V，即使電源電壓在故障條件下處於最高時(約620V )。這要求變壓器具有小匝數比(Np/ Ns)及低初級電感。當輸入電壓高
、輸出功率低時MOSFET導通時間ton必須極短
，而次級端二極管擁有長導電時間。

有幾項因素會限製這類方案的性能、損及可靠性並增加成本。極短的導通時間ton可能滋生不穩定的穩壓，迫使開關電源在非突發模式下降至低頻工作。此外，雖然對於抗雪崩型功率MOSFET而言，10%的電壓餘量通常被認為足夠，但非抗雪崩型器件應當考慮有2 0%的餘量

，以避免瞬態事件及啟動相位期間出現任何問題。至於次級側二極管，要求高反向電壓能力，這通常需要高成本、大體積及大正向壓降Vf (通常會降低能效)的二極管。

變壓器漏電感產生的峰值電壓應當保持在低於800V極限值的極低標準。這要求使用大的緩衝器電路
，該電路會增加功率耗散，因而損及總能效。

新型預穩壓器設計

一種新的可選方案建議在開關電源輸入端插入穩壓器，如圖3所示。這就無需串聯大電容及其相關的電路，且能使用傳統反激轉換器設計，以避免使用特殊高壓元器件。

可以設計一個穩壓器— 能夠防止開關電源輸入電壓超過由輸入整流器產生的380VDC常規最大電壓。這就能夠使用單個標準450V大電容及700V集成開關穩壓器，而沒有電壓及設計問題。而且，通過進一步降低穩壓輸出電壓以將開關電源輸入電壓保持在200VDC(140VACx2)的最低電壓
，還能獲得更大的優勢。預穩壓器用作LDO，提供200VDC穩壓電壓，但它的開關特性避免了功率耗散過多
、大散熱片及可靠性問題。能夠使用250V大電容，縮小尺寸並降低成本。開關電源緩衝器能用於控製及驅動預穩壓器MOSFET。

為了達到最高能效，開關預穩壓器與主電源同步，從而通過穩壓器MOSFET，以最小的電壓降為大電容提供能量。這可以將能效提升至約90%。此(ci)設(she)計(ji)使(shi)用(yong)半(ban)波(bo)而(er)非(fei)全(quan)波(bo)交(jiao)流(liu)主(zhu)電(dian)源(yuan)整(zheng)流(liu)
，可(ke)以(yi)避(bi)免(mian)導(dao)通(tong)時(shi)間(jian)過(guo)短(duan)並(bing)降(jiang)低(di)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)。這(zhe)種(zhong)預(yu)穩(wen)壓(ya)器(qi)設(she)計(ji)還(hai)提(ti)供(gong)在(zai)啟(qi)動(dong)相(xiang)位(wei)期(qi)間(jian)限(xian)製(zhi)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)的(de)電(dian)路(lu)。

係統中有了預穩壓器
，開關電源的設計也簡化了。由於輸入電壓範圍大幅減小，就不要求支持大的頻率及導通時間ton變化範圍。此外，使用較小的250V大電容

，能夠優化維持時間
，而對總體尺寸及成本的影響極小，因為250V電容比450V電容更小、更經濟。不僅如此，大電容較低的供電電壓使緩衝器電路電容能夠減小
，而緩衝器阻抗可以相應增加。

減jian小xiao的de供gong電dian電dian壓ya也ye提ti供gong更geng高gao的de靈ling活huo性xing，可ke以yi設she計ji帶dai有you更geng高gao反fan射she電dian壓ya能neng力li的de變bian壓ya器qi，不bu僅jin可ke以yi降jiang低di緩huan衝chong器qi尺chi寸cun及ji能neng耗hao從cong而er提ti升sheng能neng效xiao
，還hai使shi次ci級ji二er極ji管guan能neng夠gou擁yong有you更geng低di的de反fan向xiang電dian壓ya能neng力li及ji相xiang應ying更geng低di的de正zheng向xiang壓ya降jiangVf。降低供電電壓的更深層次優勢是優化開關損耗及電磁幹擾(EMI)。總體而言，預穩壓器能夠提升開關電源能效，顯著減小尺寸並降低成本。

其(qi)它(ta)幾(ji)個(ge)方(fang)麵(mian)也(ye)值(zhi)得(de)一(yi)提(ti)。其(qi)一(yi)，標(biao)準(zhun)交(jiao)流(liu)主(zhu)電(dian)源(yuan)濾(lv)波(bo)器(qi)不(bu)要(yao)求(qiu)修(xiu)改(gai)，因(yin)為(wei)電(dian)流(liu)不(bu)會(hui)超(chao)過(guo)標(biao)準(zhun)反(fan)激(ji)轉(zhuan)換(huan)器(qi)最(zui)小(xiao)供(gong)電(dian)電(dian)壓(ya)提(ti)供(gong)的(de)電(dian)流(liu)。此(ci)外(wai)，也(ye)可(ke)以(yi)省(sheng)去(qu)用(yong)於(yu)限(xian)製(zhi)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)的(de)NTC器件
，因為預穩壓器的限流器現在可以提供此功能。開關電源也不要求半波或全橋整流器，因為整流在預穩壓器之前已經完成了。

結論

這種200V 預穩壓器就像超高能效的LDO，幫助簡化支持超高輸入電壓的電源設計。它非常適合用於必須承受因中性線開路或兩相之間錯誤連接導致的高輸入電壓的單相電源。

使(shi)用(yong)預(yu)穩(wen)壓(ya)器(qi)幫(bang)助(zhu)簡(jian)化(hua)大(da)電(dian)容(rong)選(xuan)擇(ze)，同(tong)時(shi)減(jian)小(xiao)電(dian)容(rong)尺(chi)寸(cun)並(bing)減(jian)少(shao)電(dian)容(rong)數(shu)量(liang)。單(dan)個(ge)低(di)壓(ya)大(da)電(dian)容(rong)擁(yong)有(you)長(chang)維(wei)持(chi)時(shi)間(jian)，比(bi)要(yao)求(qiu)兩(liang)個(ge)大(da)電(dian)容(rong)及(ji)平(ping)衡(heng)電(dian)阻(zu)的(de)經(jing)典(dian)途(tu)徑(jing)還(hai)節(jie)省(sheng)空(kong)間(jian)及(ji)成(cheng)本(ben)。250V大電容(而非450V大電容)配合使用技術更優化的電容，為高環境溫度工作條件提供更長的使用壽命。

更深層次的優勢是能使用單個700V集成開關穩壓器來替代高壓MOS FET及分立控製器
，或是采用共源共柵連接的MOSFET與yu高gao壓ya開kai關guan穩wen壓ya器qi。此ci外wai，可ke以yi簡jian化hua變bian壓ya器qi設she計ji及ji使shi用yong更geng小xiao的de次ci級ji端duan二er極ji管guan。對dui於yu電dian表biao等deng應ying用yong而er言yan這zhe一yi點dian尤you為wei關guan鍵jian
，因yin為wei這zhe類lei應ying用yong要yao求qiu在zai嚴yan苛ke工gong作zuo環huan境jing下xia提ti供gong超chao過guo10年的連續服務。

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