大功率 SMPS 设计

大功率 SMPS 设计

开关式电源 (SMPS) 具有多种输出功率,功率涵盖 1 瓦到数千瓦。专门从事大功率应用开发的 SMPS 设计者必须谨慎选择拓扑结构,在部件选择和冷却系统设计等方面要格外小心。此外,还需要满足不断提高的能效标准和一系列适用的法规。

大功率市场和应用概述

大功率输出电源广泛应用于医疗工业运输汽车行业

医疗属于高风险行业,针对医疗应用设计的电源必须符合非常严苛的安全、EMC 和可靠性标准。医用电源的内部结构经专门设计,需要满足 IEC60601-1 医疗器械安全标准和 IEC60601-1-2 EMC 标准并通过相关认证。


图 1:RECOM 庞大的工业级电源产品组合精选。(来源:RECOM)
医疗器械设计周期较长,医疗器械设计者通常需要电源供应商提供更多设计支持。此外,医疗器械通常需要具有更长的预期使用寿命。因此,医疗级电源通常需要电源供应商提供长期的支持。

医疗领域的大功率应用包括:

  • 手术台
  • 机动病床
  • 诊断或生物设施
  • 测试或测量系统
  • 便携式血液透析机
  • 呼吸设备(如呼吸机、CPAP 机器)
  • MRI、CT 和 PET 扫描仪
  • 激光设备


大功率应用在工业领域的具有非常广阔的市场前景。先进的自动化工厂中工业 DC/DC 和 AC/DC 电源的普及度非常高。典型示例包括:

  • 工业自动化与控制
  • 车床等工业机器
  • 物料搬运设备
  • 焊机
  • 电加热器和烤箱
  • 工业机器人
  • 测试和测量设备


工业级电源需要在高工作温度、高湿度和冲击/振动条件下仍然保持可靠稳定的输出,并可以承受输出短路或输入电压浪涌。大多数工业电源具有高速数据和控制总线接口,并通过此类接口集成到工厂监控和数据采集 (SCADA) 网络中,以提高工业运行的效率、响应时间和准确性。这些系统非常复杂,需要隔离型 DC/DC 电源来断开接地回路,拆分子系统以提高整个 SCADA 的容错能力,并保证操作员的安全。

面向铁路应用的 DC/DC 和 AC/DC 电源必须在高温、低温、冲击和振动等极端条件下长期可靠运行。EN50155 标准详细规定了铁路工程和机车车辆中所使用的信息系统和电子部件的各项要求。EN50155 规定了输入电压范围、电气隔离、工作温度、冲击和振动、湿度和 EMC 以及设备可靠性和预期使用寿命的最低要求。铁路应用包括:

  • 铁路车辆
  • 车载和轨旁应用
  • 高压电池供电应用
  • 分布式电源架构


随着电动汽车 (EV) 的快速普及,促进了电动汽车充电基础设施中所使用的电源的开发。消费者迫切需要充电速度更快、容量更大的电池。这一需求促使各大厂商将电池工作电压从 400V 增加到 800V,极大的刺激了大功率充电解决方案的发展。


图 2:典型的电动汽车家用充电系统(来源:RECOM)


大功率电动汽车充电器可以根据安装位置和最终用户的意愿采取多种形式。充电功率从小于 2 kW(电动滑板车等应用)到高达 1 MW(大型车队和多用途车充电)不等。

大多数电动汽车充电器均单向工作,因为车辆内置的车载充电器 (OBC) 未设计为双向传输,但是,配备直流充电插座的电动汽车(可直接连接高压电池)可以充当储能系统 (ESS),扩充车辆的用途:车到户 (V2H) 发电、车到网 (V2G) 调峰、车到车 (V2V) 充电或启动另一辆电动汽车。最终,电动汽车充电生态系统有望从单向拓扑过渡到双向拓扑,在普及之前还需要突破许多监管障碍和技术问题。

AC/DC 辅助电源在效率和价值方面也必须符合电动汽车充电器的要求。充电箱和充电站通常安装在过电压类别 III (OVC III) 环境中,遭遇雷击后可能出现电压下降、浪涌和瞬变,这些不利因素会影响电源。此外,环境条件可能十分恶劣,因为充电器通常安装在潮湿、多尘或肮脏的车库中,并且可用的交流电源电压可能是三相 480VAC 或 277VAC。在这种环境中,辅助 AC/DC 模块必须与提供内部电压转换和隔离的开关稳压器和 DC/DC 转换器可靠运行。

大功率应用的设计注意事项

在大功率应用,开关式电源 (SMPS) 拓扑结构相对于线性电源具有更高的效率和更大的功率密度。DC/DC 转换器支持多种开关拓扑结构,具有不同的性价比组合。低功率应用需要结构简单、成本低廉,通常使用反激或正激拓扑,而大功率应用对效率和性能具有极高的要求,导致成本更高、设计更复杂。RECOM 的 AC/DC 和 DC/DC 知识手册详细介绍了各种转换器拓扑结构及其应用。

大功率 DC/DC 转换器设计普遍采用以下四种拓扑结构:两晶体管推挽、两晶体管半桥、全桥和谐振 LLC 转换器。电动汽车充电应用中极少采用第一种形式,因此此处不做介绍,其工作原理在 RECOM DC/DC 知识手册中有详细讲解。

半桥和全桥转换器



图 3:半桥和全桥拓扑(来源:RECOM)


图 3 中所示的半桥电路可以放大到更高的功率水平,并且采用正激拓扑。变压器每个开关周期只能看到输入电压的一半,因此相对于其他拓扑结构,变压器尺寸会更大。它还有一个缺点,即如果开关 Q1 和 Q2 同时导通,则会产生高击穿电流,因此在每个开关的导通周期之间需要有一个死区时间。这会将占空比限制在大约 45%。然而,半桥拓扑结构所需组件数量更少,非常适合低成本的 230V AC 和 PFC 应用。

图 3 右侧所示的全桥拓扑弥补了半桥的缺点,该拓扑使用四个开关,这些开关按如下顺序激活:Q3+Q1:开,Q2 + Q4:关,Q2 + Q4:开,Q3 + Q1:关,使得变压器初级侧在每个开关周期始终可以看到整个输入电压。仍然需要死区时间来确保零电压开关 (ZVS) 以实现更高的效率和更低的开关损耗,但可以大大缩短死区时间以获得几乎 50% 的占空比。

因此,全桥拓扑对半桥拓扑扬长避短。然而,时序电路更复杂,并且需要两个隔离型高侧驱动器,但是在大功率应用中,额外的部件成本微不足道。

谐振 LLC 转换器



图 4:半桥 LLC 转换器(来源:RECOM)


谐振 LLC 转换器(图 4)是一种半桥拓扑结构,它采用谐振技术,通过使用零电压开关来减少开关损耗,即使在空载条件下也是如此。这种拓扑结构可以扩展到大功率水平,并提供高达 90% 的转换效率。对于电动汽车高速充电器,由于存在复杂的控制器,并且需要将损耗控制在极低的水平,因此这种拓扑结构是首选。

该拓扑结构有两个谐振频率。第一个是由 CR 和 LR 形成的串联谐振槽,第二个是由 CR 和 LM+LR 形成的并联谐振槽。双谐振的优点在于,根据负载情况优先采用其中一个谐振。因此,虽然串联谐振电路的频率随着负载的减少而增加,而并联谐振电路的频率随着负载的增加而增加,但设计合理的串并联谐振电路在整个负载范围内具有稳定的频率。可以通过选择开关频率以及 LR 和 CR 的值,使变压器初级绕组处于连续谐振中,并观察到几乎完美的正弦波形。

与推挽和半桥拓扑相比,谐振 LLC 非常适合宽范围输入电压。谐振 LLC 拓扑结构的两个缺点是复杂性和成本较高。

电动汽车双向充电需要另辟蹊径。单向 OBC 通常是 LLC 谐振转换器,但这是单向拓扑。因此,DC-DC 级首选双向 CLLC 谐振转换器,它在充电和放电模式下兼具高效率与宽输出电压范围。

AC/DC 转换器的大功率设计注意事项

低功率设计可以使用简单的二极管桥式整流器,但大功率 AC/DC 设计必须使用功率因数校正 (PFC) 输入级,以符合 EMC 规范。PFC 可以与 DC/DC 级组合成独立单元,也可以作为模块化设计中的独立前端。



图 5:三相 Vienna 整流器拓扑 PFC(来源:RECOM)


对于更大功率的 AC/DC 转换器,可以使用三相 PFC 拓扑结构,如 Vienna 整流器(图 5)。这是一种有源三电平拓扑,通过使用电容分压器将电源电压减半,以减少晶体管上的高开关电压应力。输入二极管可以部分或完全用同步开关晶体管代替,以进一步提高效率。

如前文所述,RECOM 的 AC/DC 知识手册更详细地介绍了 AC/DC 转换器的设计。

冷却系统设计

无论是 AC/DC 还是 DC/DC 模块,在设计中都需要考虑电源的工作温度。半导体元件的工作温度与可靠性密切相关。温度越高,故障率越高,温度每升高 10°C,可靠性就会减半。因此,有效管理和排出器件散发的热量是电源设计者首先需要面对的问题。尽管大功率设计的效率通常达到 90% 以上,但仍然需要实施热管理。

AC/DC 和 DC/DC 电源最常用的冷却技术包括传导、对流、空气和液体冷却技术。每一种冷却技术都可以提供温度管理解决方案,从而提高应用的有效性和效率。

传导冷却通过直接接触将热量从高温部分传递到低温部分。例如,许多 DC/DC 转换器具有平坦表面,以便直接固定到外部散热器或冷却板,然后通过直接接触将功率器件中的热量传导出去,从而实现器件冷却。

对流冷却技术通过围绕在器件周围和直接接触器件的自然气流(一种低密度流体),将功率器件中的热量传递出去。许多功率器件标记的额定值是自然对流冷却条件下的数据,只要器件周围的空气温度低于器件本身的温度即可。

风扇也可以安装在电源或外围机柜的前部或后部,以提供强制空气冷却。可通过这种方法提高功率密度。许多需要强制空气冷却的电源指定了达到额定功率所需的最小气流。

液体冷却电源使用循环流体来冷却系统,因此功率密度更高,由于没有冷却风扇,噪音更小。液体冷却的优点是可以针对局部过热区域进行专门冷却,而不需要在内部安装大号散热器。

碳化硅:大功率设计的新趋势

与低功率设计相比,大功率设计着眼于高效率,通常不考虑部件成本或设计复杂性,因此不断涌现大量创新举措。

例如,大功率设计过去使用 Si-MOSFETS 或 Si-IGBT 作为电源开关,然而,随着半导体器件技术的不断发展,基于碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 的宽带隙器件开始逐渐取代硅器件。SiC 是一项更为成熟的技术,由于其高临界电场、高电子运动速度、高熔点 (300 °C) 和高热导率,在大功率系统中逐渐占据主导地位。在晶体管级别,可形成低导通状态电阻 (R(DS)on),可实现低开关损耗和低导通损耗,使其成为高电流应用的理想选择。

在 DC/DC 设计中,SiC 器件通过使用更小的磁体具有更快的开关速度和更低的开关损耗,从而可以实现更高的功率密度和更高的效率。SiC 适应更高的工作温度,减少了与热管理设计相关的开发时间和成本。

在 AC/DC 设计中,通过使用 SiC,可以用更高效的图腾柱 PFC 取代传统 PFC 升压拓扑(以及产生功率损耗的二极管桥)。消除桥式整流器可提高 PFC 效率,具体方式为:以更高的频率进行开关并将传导路径中的半导体器件数量从三个减少到两个。

图腾柱 PFC 架构的理论优势已得到公认,但在过去,无法用于大功率应用,受硅 MOSFET 的体二极管的限制,图腾柱应用仅局限于不连续模式操作 (DCM) 和低功率水平。SiC MOSFET 允许图腾柱 PFC 在 CCM 中工作,从而可以提高效率、降低 EMI 并提高功率密度。

与 IGBT 相比,SiC MOSFET 更有优势。IGBT 不具有体二极管,而是使用超快续流二极管。但由于开关和导通损耗高,因此 IGBT 的最大开关频率被限制在 20kHz 左右。与 SiC 解决方案相比,最大开关频率较低,只能增加磁性器件和无源元件的重量和尺寸来满足应用要求。

RECOM 标准大功率产品系列

RECOM 推出多种大功率标准产品系列,针对上述市场领域进行专门优化。

对于医疗应用,RECOM 的模块化 REM 和 RACM 系列转换器提供完整、合规的解决方案,可缩短设计时间、简化最终用户认证流程并加快产品上市速度。这些医用 DC/DC 转换器和 AC/DC 电源系列具有增强隔离功能,支持双重患者保护措施 (2 x MOPP)、低泄漏电流(BF 和 CF 额定值)和大于 8 mm 的爬电距离和电气间隙距离。增强隔离在标准功能隔离的基础之上提供附加安全级别,符合医疗安全标准 ES/IEC/EN 60601-1 3rd Ed 的要求。

对于工业电源,RECOM 提供了最全面的工业产品组合,拥有 25000 多种标准产品。RECOM 工业级电源具有极高的性价比,已通过多项安全认证和 EMC 认证,涵盖多种外形规格,功率水平高达 10 kW,隔离范围从 1kVDC 到 5 kVAC。

对于铁路应用,RECOM 及其子公司 Power Control Systems (PCS) 提供带有功功率因数校正的三相交流输入电池充电器,这些产品符合铁路标准,额定功率分别为 3.2 kW(RMOC3200 系列)和 5 kW(RMOC5000 系列),级联时功率最高可达 20 kW。RMOC3200 系列还可在最高 800 V 的直流输入电压下工作。两个系列的输出均适用于 24 Vnom 至 110 Vnom(且均在 36/48/72/96 之间)的应用。RECOM 还推出适用于车载和轨旁应用的 DC/DC 和 DC/AC 铁路电源。

对于电动汽车充电应用,RECOM 推出了丰富的隔离型 DC/DC 转换器,适用于为高侧栅极驱动器以及 OVC III 辅助电源 AC/DC 转换器供电。PCS 提供完整的定制解决方案,包括用于移动和固定应用的电池充电器、平衡器和调节器。输入可以采用单相或三相形式,输出可以为 20kW 或更大功率。双向设计可用于能量回收应用。所有产品都通过智能接口提供全面的保护、监控和控制。

RECOM 定制大功率设计功能

PCS是定制解决方案专家,为任何需要大功率即插即用单元的应用提供理想的解决方案。无论输入是来自燃料电池的高压直流电还是单相/三相交流电,RECOM 电源解决方案都能确保高功率密度和卓越的效率。

RECOM 面向工业、自动化、医疗和运输行业提供固定式或移动式解决方案。这些解决方案通过交流线路上的有源 PFC 或直流线路上的过电压保护直流输入,以及采用数字控制的最新开关拓扑结构和概念,确保最高功能性、可靠性和超长使用寿命。平台化设计可以实现优异的性价比,在标准解决方案的基础之上进行改造可缩短产品上市时间。

请参阅本页,了解作为平台化解决方案开发的大功率设计。RECOM 可以快速修改这些解决方案,以快速且经济实惠的方式满足客户的独特需求。平台功能包括:

  • DC 输出:12、24、36、48、110、500 VDC 或其他电压(根据要求)
  • 卓越的效率和紧凑的设计
  • 级联电源和 n+1 冗余
  • 标准、基于标准进行改造和完全定制设计解决方案
  • 用于控制和监控的数字接口(例如 PM 总线)


PCS 还提供额定功率高达 4kW 的模块化大功率 PFC 级。这些 PFC 前端可以实现大于 0.95 的功率因数,典型效率达 92%。

为何在大功率应用中选择 RECOM 产品

RECOM 提供丰富的大功率电源,这些电源满足 AC/DC、DC/DC 和 DC/AC 的要求。下表总结了我们的标准和定制大功率产品设计能力。

属性 适用于直流或交流线路的大功率解决方案
AC/DC or DC/DC 可用功能/选项:
Power (W) up to 50000W Modules, cascadable up to 20000W
Isolation Isolated or non isolated
Nr. of Outputs Single or multible outputs
Vin (V) 20 - 264 1AC
200 - 600 3AC
200 - 2500VDC
Vout (V) low voltage or >1kV
Isolation (kV) up to 6kV
Connection Screw Terminals, Cage Clamps
others on request
Mechanical style Open frame
Chassis mounting, enclosed
19"-Rack style
Certifications CE, EN 55024, EN 55032, EN 62368, UL 60950-1, EN 50155
MIN Operating Temp (°C) -40.0 / -50.0
MAX Operating Temp (°C) 70.0 / 85.0
Protections OCP, OTP, OVP, SCP
Trim Pin Output Voltage Adjustment ADJUSTABLE
Interfaces I²C, Ethernet, CAN, ….?
Directives REACH, RoHS 2+ (10/10), WEEE
Warranty 3 Years
Regulation Regulated

有关大功率设计的更多信息,请浏览涵盖各种细分市场和应用的大量标准产品。或者下载我们的技术资源:白皮书参考设计应用笔记报告,或适用的安全标准

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