下一代48V分布式電源架構(gòu)的電源設(shè)計(jì)

如果要保留緊湊磚型模式的同時縮減電源尺寸,就會遇到如何處理高功率密度所需的散熱問題,如何將所有必要組件集成在有限的空間內(nèi)等等問題。本文就是介紹針對這一問題所展開的既可以節(jié)省空間又能夠簡化48V分布式電源架構(gòu)(DPA)應(yīng)用的前端設(shè)計(jì)方法。

　　為了在保留緊湊磚型模式的同時縮減電源尺寸,電源制造商必須降低磚型模塊的高度,并(或)盡量將外部的供電元件移至磚型模塊內(nèi)部。但同時采取上述兩種做法卻給電源設(shè)計(jì)者帶來了諸多挑戰(zhàn),其中包括：如何處理高功率密度所需的散熱問題,如何將所有必要組件集成在有限的空間內(nèi)等等。

為了解決這些挑戰(zhàn),西恩迪技術(shù)(CD)公司電力電子部的工程師們的目標(biāo)是創(chuàng)造一種600瓦的磚型模塊原型,既可以節(jié)省空間又能夠簡化48V分布式電源架構(gòu)(DPA)應(yīng)用的前端設(shè)計(jì)。

碳化硅半導(dǎo)體

通過升壓轉(zhuǎn)換器集成滿足EN61000-3-2要求的有源PFC是原型設(shè)計(jì)的一個主要目標(biāo)。設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于：為了將模塊高度保持在標(biāo)稱半英寸高模塊的公差范圍內(nèi),很明顯需要使用的開關(guān)頻率將大大高于離散PFC階段通常所具有的開關(guān)頻率。這意味著,為了讓PFC級滿足規(guī)格要求并且將功耗減至最低,需要復(fù)合緩沖電路或一系列肖特基二極管的保護(hù)。不幸的是,這兩種作法所需要的空間都違背了原型設(shè)計(jì)的微型化目標(biāo)。好在設(shè)計(jì)人員已經(jīng)找到了一種解決方法,即最新的碳化硅(SiC)半導(dǎo)體技術(shù)。

電子工程師們十分熟悉一條自然定律：器件的額定電壓越高,其開關(guān)速度就越慢。正因?yàn)槿绱?SiC二極管(額定電壓為600伏或以上,可輕松的在升壓電源電壓下工作,而減緩開關(guān)速度的電容極小)所呈現(xiàn)的解決方案幾乎就像魔術(shù)一樣解決了大幅度降低熱量的難題,以往這些熱量需要靠基底和散熱片散發(fā)。因此,CD公司選擇SiC二極管進(jìn)行原型設(shè)計(jì),利用其在極高頻率下工作的能力,為它提供所需要的保護(hù)。

低損耗拓?fù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/架構(gòu)">架構(gòu)

對熱性能的嚴(yán)格要求可以通過在轉(zhuǎn)換器內(nèi)盡量減少開關(guān)損耗得以緩解。全橋式轉(zhuǎn)換器所使用的模塊化方法對損耗的產(chǎn)生有重大影響。對這一問題的了解促進(jìn)了中間總線DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的變化,但是直到現(xiàn)在,這些變化還未被應(yīng)用于AC/DC轉(zhuǎn)換階段。

傳統(tǒng)上,四橋式開關(guān)由輸出電壓控制信號所產(chǎn)生的邏輯信號調(diào)制脈寬。原型產(chǎn)品的磚型設(shè)計(jì)選擇了一種稍微不同的技術(shù),如圖1所示。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過一個恒定占空比來開關(guān)主側(cè)面橋開關(guān),允許在幾乎零觸發(fā)電壓的情況下進(jìn)行恒定頻率操作(按幾乎為最大的占空比運(yùn)行),因而大大降低了開關(guān)損耗。

圖1

采用這種拓?fù)浼軜?gòu)可以確保輸出電感足夠小。在應(yīng)用于DC/DC中間總線轉(zhuǎn)換器時,使用次級側(cè)面開關(guān)調(diào)制輸出電感器的伏特-秒可以獲得閉環(huán)調(diào)整。但是新的解決方案不需要閉環(huán)調(diào)整,因?yàn)榍岸说挠性碢FC將提供足夠穩(wěn)定的380伏輸入以產(chǎn)生充分調(diào)整的48伏直流電壓輸出,而無需使用閉環(huán)控制。實(shí)際上這種輸出是“半調(diào)整”式的,但這已經(jīng)足夠,因?yàn)橛葾C/DC電源供電的DC/DC轉(zhuǎn)換器本身將進(jìn)行調(diào)整。以這種方式運(yùn)行全橋開關(guān)會導(dǎo)致輸出后整流器占空比在90%左右,從而可以極大縮小輸出電感器的尺寸。這種方法是可行的,因?yàn)樵谶@個設(shè)計(jì)中關(guān)閉時間(在這期間電感器處于運(yùn)行狀態(tài))被降至最低。

平面變壓器

作為一種能夠解決電源設(shè)計(jì)者所面臨機(jī)電問題的有效方法,平面變壓器開始被廣泛認(rèn)為。與使用纏繞在傳統(tǒng)線軸上的圓截面銅線變壓器相比,這些變壓器可以做的更為小巧。精密銅引線框或蝕刻繞組可達(dá)到的設(shè)計(jì)規(guī)格精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于繞線變壓器的精度。在組裝平面變壓器時可達(dá)到的重復(fù)度也更高。蝕刻或壓印的銅引線框疊加在通常為高頻率的扁平鐵氧體磁心中,以生成變壓器的磁路。這一薄片狀結(jié)構(gòu)也加強(qiáng)了繞組間的磁耦合性,導(dǎo)致低漏電感。表面面積與體積的高比例也使得平面磁性組件成為散熱片安裝和強(qiáng)制空氣制冷的理想選擇。因此,使用平面變壓器可獲得極高的功率密度。

越來越多的DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)者開始轉(zhuǎn)而采用平面變壓器來增強(qiáng)電性能和熱性能,以及顯著縮小物理尺寸,而這一舉措在AC/DC裝置中并不常見。但是,隨著對帶有兩個原級和三個次級(且有高度限制)轉(zhuǎn)換器要求的出現(xiàn),CD的AC/DC原型應(yīng)用很明顯需要使用平面式結(jié)構(gòu)。

在確認(rèn)平面式技術(shù)是滿足高度要求的最恰當(dāng)技術(shù)后,其它可行的選擇就包括完全嵌入式變壓器、嵌入/獨(dú)立混合式變壓器以及完全離散的獨(dú)立式變壓器。

盡管完全嵌入式變壓器空間有效,并且擁有高功率密度和優(yōu)秀的熱性能,但是它們并不適于該應(yīng)用,因?yàn)闊o法在其結(jié)構(gòu)中加入足夠的銅。相反,CD的原型模塊將使用離散的獨(dú)立平面變壓器(見圖2)以最大化節(jié)省空間,同時滿足安全要求并提供最佳的整體實(shí)施成本。

圖2