基于ST STF24N65M2的240W自驱半有源桥整流方案

自从PD电源问世以来，给人们的生产生活带来了翻天覆地的变化，不仅仅是满足了人们对充电时间短的迫切需求，也带来了人们对节能降耗的持续关注。从45W到65W，再到120W甚至240W，充电功率越来越大，这样带来的好处就是可以极大地减少充电时间。随着充电功率的增大，对电源效率的要求也变得越来越高。效率高就意味着节能，在相同输出功率下，消耗的电能就越小。同时电源的发热量也低，可大大提高电源的使用寿命。

 

目前设计一款电源，除了要满足最基本的性能外，还要考虑体积与散热的问题。体积大小我们第一眼就能看到，所以体积很重要。而电源的散热能力与其表面积大小成正比，也就是说看起来表面积大的电源，其散热能力一般比较强，但加风扇散热的除外。前段时间本人就购买了一台游戏本电脑，其电源适配器功率为240W，比起以前65W的电源适配器，其在体积上大了3倍，功率上却提高了4倍。这是因为大功率电源的功率密度要远远高于小功率电源，65W的电源适配器采用普通的反激式开关拓扑，而240W的电源适配器采用了高效率的LLC开关拓扑，LLC开关拓扑还是软开关的，其最高效率可达98%以上。而反激式开关拓扑的最高效率只有94%，而且已经很难再继续提升。

 

按照国内对功率因素的要求，对于大于65W的开关电源必须要满足相关谐波标准，也就是要有功率因素校正电路。而功率因素校正电路就是指PFC电路。240W的适配器电源内部由两部分组成，前级是PFC电路，后级是LLC拓扑。前级的PFC电路又采用了BOOST升压拓扑，恒压400V后再给到后级的LLC。由于BOOST拓扑是一种DC-DC转换器，而输入的却是AC交流电，所以输入端还必须要有AC-DC的整流桥。整流桥的作用是把交流电转变成直流电，整流桥的内部是由4颗硅整流二极管构成，而这4颗硅整流二极管连接成H桥的形式，所以整流桥又叫H桥。

 

整流桥是有损耗的，这一点毋庸置疑。整流桥的损耗是由流过的电流大小决定，由于整流桥的压降相对恒定，单颗二极管正向压降一般为0.4V左右，所以计算损耗就把电流乘以0.4就行了。以240W的游戏本电脑适配器为例，在满载情况下，低压90v交流输入时的有效值电流为3.1A，桥堆损耗功率是3.1×0.4×2=2.48W。损耗功率拉低了整机的能效，而且损耗的功率是以热量的形式发散到周围，这也提升了整个电源的工作温度，加剧了电源的散热难度。从测试的数据看，桥堆的工作温度已经达到了惊人的112℃。

 

为了解决桥堆的功耗问题，人们想到了用无桥PFC的架构来做的思路，所谓的无桥就是指用开关管代替硅二极管，因为开关管的正向压降非常低，远远低于二极管的0.4V，所以几乎不存在损耗的问题。但无桥PFC电路复杂，不适合做几百瓦左右功率的电源，折中考虑还是用有源桥方案更适合。有源桥与无桥的原理大致是一样的，都是用开关管代替硅整流二极管来实现整流。二者不同的是，无桥PFC的整流部分与功率因素校正部分是一体的，而有源桥的整流部分与功率因素校正部分是分开的。

 

本实施例的有源桥方案采用自驱半有源桥的形式，结合电路图可知，自驱的好处显而易见，除了不需要驱动IC外，整个电路还极其简单。在有交流电输入的情况下，L与N交替出现正负半周的正弦波，两个下管Q1和Q2也交替导通。Q1与Q2的管子型号是STF24N65M2，出自意法半导体。交替导通的两个管子具有互锁功能，即在同一个正弦半周期内只有一个管子会导通，另一个管子处于截止状态，这样就保证了管子的安全性与可靠性。前面说了管子的导通压降非常低，所以自驱半有源桥的损耗为普通整流桥损耗的一半。具体的对比测试数据见附件表格。

 

对于有源桥整流的可靠性与安全性，很多电源工程师对此都有一定的疑虑，因为开关管的耐压一般选取650V，而硅二极管的耐压可选取800V或1000V，在雷击浪涌方面选用二极管整流桥方案明显会更可靠一些。当然这一点确实如此，但随着技术的发展，人们对能效的要求越来越高，普通整流桥方案就显得有些力不从心了。在一台电源中，温度最高的元件往往就是整流桥，所以整流桥温升反而成了制约电源发展的绊脚石，而有源桥技术却可以轻松解决这个让电源工程师头痛的难题，让电源能效再次飞跃！

 

►核心技术优势

自驱动，无需驱动IC。

上臂用二极管，下臂用MOS管，无倒灌电流。

效率高，发热量低。

电路简单，容易设计。

 

►方案规格

输入交流电压：90~240V

输入交流电流：0~10A

最高耐压：650V

最大耐受浪涌电流：64A

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