拓撲是什么？在開關(guān)電源中，存在著各種元器件，他們的連接或相互關(guān)系是一種網(wǎng)絡(luò)，我們把這種元器件的特定連接關(guān)系稱為拓撲。

提高工業(yè)ac-dc電源可靠性的關(guān)鍵在于降低功率元件的熱、電壓和電流應(yīng)力，這主要是輸入電壓和所需功率的函數(shù)。雖然熱應(yīng)力是額定功率的函數(shù)，但電源效率也起著重要作用。因此，可選擇有助于減輕這些應(yīng)力的拓撲，下面探索下拓撲結(jié)構(gòu)對工業(yè)ac-dc電源可靠性的影響。

在一個94.5%效率、500W的工業(yè)ac-dc電源參考設(shè)計中，前端功率因數(shù)校正（PFC）級是交錯式過渡模式升壓拓撲，單級連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）升壓拓撲結(jié)構(gòu)也是一個可行選擇。拓撲選擇主要是出于器件壓力的考慮，交錯式拓撲，因兩級并聯(lián)工作，將功率元件（升壓電感、開關(guān)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管[MOSFET]和整流二極管）中的電流應(yīng)力降低了兩倍。

下圖為兩種拓撲的簡化圖：

因?qū)☉?yīng)力顯著降低，過渡模式PFC在降低開關(guān)應(yīng)力方面具有優(yōu)勢。當輸入電壓低于輸出電壓的一半時，過濾模式下的電壓切換為零，即使輸入電壓較高，電壓切換水平也會顯著降低。在所有條件下，MOSFET和整流器都有零電流開關(guān)（ZCS）。ZCS操作導(dǎo)致整流二極管中的反向恢復(fù)幾乎消除，這也有助于減小應(yīng)力并降低電磁干擾（EMI）。雖然減少EMI不能提供直接的可靠性優(yōu)勢，但EMI濾波器元件數(shù)量的減少以及敏感電路段噪聲拾取的可能性降低，可間接地有助于提高整個電源的可靠性。

考慮熱應(yīng)力時，交錯的過渡模式升壓拓撲再次比CCM拓撲更有利。在交錯過渡模式拓撲中，組件在較低溫度下運行，與CCM拓撲相比，更多組件共享幾乎相同的功率損耗。在溫度降低條件下操作對電源可靠性具有相當大的影響，尤其是在沒有強制通風(fēng)設(shè)備的系統(tǒng)中。

交錯操作大大降低了輸入和輸出電容中的紋波電流。這是一個重要的考慮因素，特別是鋁電解電容，它是決定整體電源可靠性的最薄弱環(huán)節(jié)之一。在PFC應(yīng)用中，紋波電流是決定輸出電容壽命的重要因素。應(yīng)該看到紋波電流的降低不僅是對規(guī)格的降額，而且更顯著的是由于功耗降低導(dǎo)致的溫度降低。

對于DC/DC級，電感-電感-電容（LLC）拓撲結(jié)構(gòu)是首選，因為它具有降低的開關(guān)應(yīng)力，不過會增加電流應(yīng)力。在略高于諧振頻率的滿載下工作可最大限度地減小電流應(yīng)力的增加，同時避免由于ZCS關(guān)斷而導(dǎo)致的輸出同步MOSFET體二極管反向恢復(fù)。

該設(shè)計實現(xiàn)了接近95%的效率，而不會增加太多復(fù)雜性。PFC級效率在230 V時高于98%，在115 V時高于96.5%，LLC級的效率高于96.5%。拓撲和組件選擇是影響此性能的因素，另一個需要考慮的重點是電路在其工作范圍內(nèi)的效率，在其使用壽命期間，它可能并不總是在滿載或接近滿載的情況下運行。因此，在廣泛的操作區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)良好的效率非常重要，這使PFC和LLC功率級在選擇控制器時變得重要。

如上圖所示：該設(shè)計中使用的兩個控制器（用于PFC的UCC28064A和用于LLC的UCC256301）具有在寬工作范圍內(nèi)提供效率優(yōu)勢的控制技術(shù)。該設(shè)計中使用的UCC24612，同步整流器控制器和驅(qū)動器，通過實現(xiàn)近乎理想的二極管仿真來降低輸出整流器損耗，并間接降低初級側(cè)損耗。這些控制器設(shè)備對提高整體可靠性的貢獻并非無關(guān)緊要。

在工業(yè)ac-dc電源應(yīng)用中，必須選擇可以減少組件壓力的拓撲結(jié)構(gòu)。交錯的過渡模式升壓拓撲和LLC拓撲是比其他拓撲更好的選擇，因為可減少組件壓力。拓撲結(jié)構(gòu)選擇應(yīng)考慮將功率損耗分配給更多組件，且提高效率尤為重要，因為熱應(yīng)力與其直接相關(guān)。

在工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的潮流下，工業(yè)自動化和工業(yè)設(shè)備市場增長迅速，而提供樞紐動力的電源，需求也在不斷提高。高功率密度、高集成度、模塊化、追求更小尺寸、更高可靠性成為當前ac-dc電源模塊產(chǎn)品的主要發(fā)展趨勢。