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【原创】3000W全桥交错式超低待机功耗高频逆变器的设计

逆变器的工作方式和原理相信大家都比较熟悉了,我也是最近几年在电源网逆变论坛的引导才涉足这个圈子的。

 

为什么说这是一个圈子呢?

因为它有着和其它开关电源不同的“生活区”。

 

近几年火爆的LED电源就像生活在雾霾都市里的北京人一样,快节奏工作的同时也在不断创新(减排),

基本的拓扑都是APFC+LLCAPFC+QR,随着功率需求不断提高,单级PFC架构的也慢慢消亡,上次还偶然看到了APFC+LCC产品。

 

一直充实着民用市场的充电器和适配器更是时刻与国际挂钩,适应全电压输入的同时,对效率和功耗的要求也是不断在更新,

采用BUCK PFC+LLC+SR的产品也偶尔浮现。

 

在这些“其它开关电源”行业,近几年出现的新方案拓扑可谓是层出不穷:PSR、交错PFCBUCK PFCLCCLLC……



每单元控制电路详细讲解楼层如下:(不断更新ing。。。)

交错控制电路详解:43-78 帖

输入电压温控详解:116 帖

前级全桥驱动详解:183 帖

前级全桥升压详解:240 帖

后级H桥变流详解:265 帖

后级H桥驱动详解:284 帖

整机辅助电源详解:324帖

。。。。。。。。。。。。

 

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javike
LV.12
2
2014-05-01 00:08

典型的PSR电路

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javike
LV.12
3
2014-05-01 00:08
@javike
[图片]典型的PSR电路

典型的交错PFC电路

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javike
LV.12
4
2014-05-01 00:09
@javike
[图片]典型的交错PFC电路

典型的BUCK PFC电路

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javike
LV.12
5
2014-05-01 00:10
@javike
[图片]典型的BUCKPFC电路

典型的LLC电路

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javike
LV.12
6
2014-05-01 00:10
@javike
[图片]典型的LLC电路

LCC电路架构图.

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javike
LV.12
7
2014-05-01 00:10
@javike
[图片]LCC电路架构图.

。。。。。。

这些新的拓扑你做过的有多少?

。。。。。。

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javike
LV.12
8
2014-05-01 00:11
@javike
。。。。。。这些新的拓扑你做过的有多少?。。。。。。

再看看目前的逆变器行业,基本都还是用着比行业工程师平均年龄还老的方案和拓扑,

就像生活在深山区里的勤人一样,有着自然的清新空气(风光太阳能市场),有着不必创新而能持续的生活法则。

市场上千篇一律的传统推挽、传统全桥甚至工频方案的逆变器。。。。。。

 

是什么阻碍了逆变器新技术的发展?

 

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javike
LV.12
9
2014-05-01 00:11
@javike
再看看目前的逆变器行业,基本都还是用着比行业工程师平均年龄还老的方案和拓扑,就像生活在深山区里的勤人一样,有着自然的清新空气(风光太阳能市场),有着不必创新而能持续的生活法则。市场上千篇一律的传统推挽、传统全桥甚至工频方案的逆变器。。。。。。 是什么阻碍了逆变器新技术的发展? 

是那几十上百A的电流导致设计上的局限吗?导致电流应力、功率裕量、损耗、偏磁。。。等设计上的困难?

 

100A左右的电流看起来是不小,但也不至于恐怖吧。。

其实我们日常经常接触到这么大电流的产品,只是大家不觉得,电脑的主板CPU供电和显卡的GPU供电电流都是100A+,甚至高达几百A。

目前据说有显卡单卡耗电800W的“电老虎级”专业显卡,按照现在的GPU核心电压1.0V来计算,

GPU的供电电流有700+A了\,双卡SLI电流高达1500A+,

更恐怖的是普通主板已经支持4路的SLI,显卡耗电流可以达到3000A+。

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javike
LV.12
10
2014-05-01 00:14
@javike
是那几十上百A的电流导致设计上的局限吗?导致电流应力、功率裕量、损耗、偏磁。。。等设计上的困难? 100A左右的电流看起来是不小,但也不至于恐怖吧。。其实我们日常经常接触到这么大电流的产品,只是大家不觉得,电脑的主板CPU供电和显卡的GPU供电电流都是100A+,甚至高达几百A。目前据说有显卡单卡耗电800W的“电老虎级”专业显卡,按照现在的GPU核心电压1.0V来计算,GPU的供电电流有700+A了\,双卡SLI电流高达1500A+,更恐怖的是普通主板已经支持4路的SLI,显卡耗电流可以达到3000A+。

某品牌主板的37相供电(CPU供电32相交错+CPU内置GPU供电3相交错+VTT供电2相交错.

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javike
LV.12
11
2014-05-01 00:14
@javike
[图片]某品牌主板的37相供电(CPU供电32相交错+CPU内置GPU供电3相交错+VTT供电2相交错.

我一直在寻找最适合逆变器的工作拓扑,也做了大量的仿真了和实验。

目前大家常用的多变压器架构还是初级并联次级串联式的推挽架构,这种架构在变压器一致性存在偏差时的影响是不容忽视的,而变压器几乎不可能完全一致。

现在LED电源上用得火爆LLC架构又不适合逆变器输入电瓶端的宽范围电压,需与BOOST配合使用。

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javike
LV.12
12
2014-05-01 00:15
@javike
我一直在寻找最适合逆变器的工作拓扑,也做了大量的仿真了和实验。目前大家常用的多变压器架构还是初级并联次级串联式的推挽架构,这种架构在变压器一致性存在偏差时的影响是不容忽视的,而变压器几乎不可能完全一致。现在LED电源上用得火爆LLC架构又不适合逆变器输入电瓶端的宽范围电压,需与BOOST配合使用。

最后还是想到了电脑CPUGPU供电电源交错控制,

回想起来10年前的电脑主板CPU供电就是3-4相交错式BUCK控制的,

现在高端主板的CPU和显卡的GPU供电都达到32甚至64相交错供电了,

显卡单卡64相交错,4卡3000A的电流算下来每相也就10A多点了。

 

让我不明白的是10年前就已经有交错架构的拓扑在应用,

虽然BUCK和全桥是有区别,但交错控制原理基本还是一样的,

为什么这10多年在电流应力也较大的逆变器行业没有得到广泛的应用呢?

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javike
LV.12
13
2014-05-01 00:19
@javike
最后还是想到了电脑CPU和GPU供电电源交错控制,回想起来10年前的电脑主板CPU供电就是3-4相交错式BUCK控制的,现在高端主板的CPU和显卡的GPU供电都达到32甚至64相交错供电了,显卡单卡64相交错,4卡3000A的电流算下来每相也就10A多点了。 让我不明白的是10年前就已经有交错架构的拓扑在应用,虽然BUCK和全桥是有区别,但交错控制原理基本还是一样的,为什么这10多年在电流应力也较大的逆变器行业没有得到广泛的应用呢?

交错控制使得再大的电流都不再恐怖了,如果使逆变器可以像显卡组SLI一样,实现直接并联那就完美了。

接下来在交错推挽和交错全桥上也做了些考量和选择,即使是交错式推挽,还是无法避免不对称导致的偏磁,

所以准备先拿交错全桥来小试牛刀。。。。。

 

多变压器交错式并联与初级并联次级串联方式的对比在这里就不再细说了,

大家可以看我之前的演讲稿:http://www.dianyuan.com/bbs/1445663.html

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javike
LV.12
14
2014-05-01 00:20
@javike
交错控制使得再大的电流都不再恐怖了,如果使逆变器可以像显卡组SLI一样,实现直接并联那就完美了。接下来在交错推挽和交错全桥上也做了些考量和选择,即使是交错式推挽,还是无法避免不对称导致的偏磁,所以准备先拿交错全桥来小试牛刀。。。。。 多变压器交错式并联与初级并联次级串联方式的对比在这里就不再细说了,大家可以看我之前的演讲稿:http://www.dianyuan.com/bbs/1445663.html

PWM控制IC首选还是大家熟知的SG3525,在这里我选择STSG3525A

相比其他的控制器,它的优点有:

1. 双端最大占空比可以达到98%(实际在30-35K的频率下实测也的确可以达到97~98%之间),

    这点对开环效率影响还是比较可观的,部分其他品牌的SG3525标称却只有96%

 

2. 有同步控制端,可直接级联或交错控制,省去了外置稳定的三角波电路控制的麻烦。

 

3. 最大工作频率可以达到500KHz。规格书的首页标称的最大工作频率可以达到500KHz

   当然实际测试也是可以达到的,只是需要加些外围电路让死区时间为0在规格书的详细参数中标称却是400KHz

   但在交错控制时,同步端的输入信号却又不支持500KHz所以这个500KHz真心觉得是个忽悠,

   但这对实现多相级联式交错非常有用,400KHz实现一般的逆变器(30-35KHz 开关频率)4相交错还是没问题的。

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javike
LV.12
15
2014-05-01 00:22
@javike
PWM控制IC首选还是大家熟知的SG3525,在这里我选择ST的SG3525A。相比其他的控制器,它的优点有:1. 双端最大占空比可以达到98%(实际在30-35K的频率下实测也的确可以达到97~98%之间),  这点对开环效率影响还是比较可观的,部分其他品牌的SG3525标称却只有96%。 2. 有同步控制端,可直接级联或交错控制,省去了外置稳定的三角波电路控制的麻烦。 3. 最大工作频率可以达到500KHz。规格书的首页标称的最大工作频率可以达到500KHz,  当然实际测试也是可以达到的,只是需要加些外围电路让死区时间为0。在规格书的详细参数中标称却是400KHz,  但在交错控制时,同步端的输入信号却又不支持500KHz,所以这个500KHz真心觉得是个忽悠,  但这对实现多相级联式交错非常有用,400KHz实现一般的逆变器(30-35KHz开关频率)4相交错还是没问题的。[图片][图片][图片][图片]

先上交错控制部分的电路图,说说交错的核心。。。。。。

(。。。。。。下接第43帖。。。。。)

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alk_shi
LV.4
16
2014-05-01 00:41
@javike
先上交错控制部分的电路图,说说交错的核心。。。。。。(。。。。。。下接第43帖。。。。。)

抢占沙发

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zhc7302
LV.9
17
2014-05-01 01:06
@alk_shi
抢占沙发[图片]
地板
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javike
LV.12
18
2014-05-01 01:07
@alk_shi
抢占沙发[图片]
。。。大家的顶帖是我更新的动力。。。
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alk_shi
LV.4
19
2014-05-01 01:14
@javike
。。。大家的顶帖是我更新的动力。。。

楼主有想法,顶!

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小矿石
LV.10
20
2014-05-01 07:20
@javike
。。。大家的顶帖是我更新的动力。。。
给你点动力,坐等更新
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小矿石
LV.10
21
2014-05-01 07:22
@javike
[图片]某品牌主板的37相供电(CPU供电32相交错+CPU内置GPU供电3相交错+VTT供电2相交错.
这种很多相交错的方式是不是用CPLD搞起来更方便一些?
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chenshuhui
LV.7
22
2014-05-01 08:42
@javike
[图片]典型的PSR电路
PSR 我们从来不做,因稳压精度没有光藕的好。
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javike
LV.12
23
2014-05-01 09:10
@小矿石
这种很多相交错的方式是不是用CPLD搞起来更方便一些?

不需要CPLD那么复杂的东西,就用3525就可以了,成本低,器件易买,大家都可以DIY玩玩

目前已经实现单级最大144相交错的仿真,理论上最大可以扩展到1728相交错

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javike
LV.12
24
2014-05-01 09:12
@chenshuhui
PSR我们从来不做,因稳压精度没有光藕的好。

PSR在稳压精度上的确没有优势,但成本低,体积小,还是有很大的市场的。

没有十全十美的方案的。

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2014-05-01 09:40
@javike
PWM控制IC首选还是大家熟知的SG3525,在这里我选择ST的SG3525A。相比其他的控制器,它的优点有:1. 双端最大占空比可以达到98%(实际在30-35K的频率下实测也的确可以达到97~98%之间),  这点对开环效率影响还是比较可观的,部分其他品牌的SG3525标称却只有96%。 2. 有同步控制端,可直接级联或交错控制,省去了外置稳定的三角波电路控制的麻烦。 3. 最大工作频率可以达到500KHz。规格书的首页标称的最大工作频率可以达到500KHz,  当然实际测试也是可以达到的,只是需要加些外围电路让死区时间为0。在规格书的详细参数中标称却是400KHz,  但在交错控制时,同步端的输入信号却又不支持500KHz,所以这个500KHz真心觉得是个忽悠,  但这对实现多相级联式交错非常有用,400KHz实现一般的逆变器(30-35KHz开关频率)4相交错还是没问题的。[图片][图片][图片][图片]

SG3525A双端最大占空比达到98%?请问是怎么控制的?前阵子想做两相交错并联BOOST,苦于没有找到合适的芯片,如果3525可以,那真的太好了

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javike
LV.12
26
2014-05-01 09:47
@liwei20080512
SG3525A双端最大占空比达到98%?请问是怎么控制的?前阵子想做两相交错并联BOOST,苦于没有找到合适的芯片,如果3525可以,那真的太好了

SG3525的最大占空比受最小死区时间的限制,频率越高,占空比会越小,

97-98%是在30-35K的条件下压榨死区时间,规格书给出的CT电容最小是1nF,需要再小一点才可以达到97%以上,

但不同品牌的还是会有差异,我试过的只有ST的在最大占空比上表现比较好。

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javike
LV.12
27
2014-05-01 09:48
@javike
SG3525的最大占空比受最小死区时间的限制,频率越高,占空比会越小,97-98%是在30-35K的条件下压榨死区时间,规格书给出的CT电容最小是1nF,需要再小一点才可以达到97%以上,但不同品牌的还是会有差异,我试过的只有ST的在最大占空比上表现比较好。

当然,好如果频率再高(35K以上),占空比就达不到98%了。

不过我上次找到一颗工作频率可以高达2M,占空比可以到99%的芯片。价格比3525是要贵多了,型号我要找找。

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2014-05-01 09:58
@javike
SG3525的最大占空比受最小死区时间的限制,频率越高,占空比会越小,97-98%是在30-35K的条件下压榨死区时间,规格书给出的CT电容最小是1nF,需要再小一点才可以达到97%以上,但不同品牌的还是会有差异,我试过的只有ST的在最大占空比上表现比较好。

坐等更新,我很关心这个问题。

我搞的东西可能比较极端,一般做BOOST关心输出电压,电流;而我做的却更关心输入电压和电流,大师可能已经知道是什么东西了。对的,开关电源节能老化系统。这东西要求输入电压范围超级宽,输入电流也不算小。目前已经做了一款3-60V输入,最大电流15A,最大输入功率300W的BOOST,但效果不让人满意,准备搞交错并联BOOST,减小压力

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2014-05-01 10:21
@liwei20080512
坐等更新,我很关心这个问题。我搞的东西可能比较极端,一般做BOOST关心输出电压,电流;而我做的却更关心输入电压和电流,大师可能已经知道是什么东西了。对的,开关电源节能老化系统。这东西要求输入电压范围超级宽,输入电流也不算小。目前已经做了一款3-60V输入,最大电流15A,最大输入功率300W的BOOST,但效果不让人满意,准备搞交错并联BOOST,减小压力
刚刚想起来,在TL494的4脚上加负压,双端输出的时候占空比也可以达到很大,但好像不好控制,容易出现一边输出直接变成高,一边输出成低
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chenshuhui
LV.7
30
2014-05-01 10:22
@javike
PSR在稳压精度上的确没有优势,但成本低,体积小,还是有很大的市场的。没有十全十美的方案的。[图片]
因为我们对成本没有太多要求,对电源质量要求比较高些,因为通信电源,必须保证质量
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haizhiyin
LV.4
31
2014-05-01 10:29
@javike
先上交错控制部分的电路图,说说交错的核心。。。。。。(。。。。。。下接第43帖。。。。。)
地下室
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