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    直流屏變換器技術現狀及發展歷程

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    2019-05-06 11:18:00 來源:萬正電源集團有限公司

    一、市場對于直流屏的性能要求越來越高:


    1、分布式直流屏應用的普及推廣以及電池供電移動式電子設備的飛速發展,其直流屏系統需用的DC/DC電源模塊越來越多;


    2、對其性能要求越來越高:除去常規電性能指標以外,對其體積要求越來越小,也就是對其功率密度的要求越來越高,對轉換效率要求也越來越高,也即發熱越來越少。這樣其平均無故障工作時間才越來越長,可靠性越來越好;


    3、因此如何開發設計出更高功率密度、更高轉換效率、更低成本更高性能的DC/DC轉換器始終是近二十年來電力電子技術工程師追求的目標。例如:二十年前Lucent公司開發出第一個半磚DC/DC時,其輸出功率才30W,效率只有78%。而如今半磚的DC/DC輸出功率已達到300W,轉換效率高達93.5%。


    二、具體的直流屏內DC/DC變換器體積的要求:


    從八十年代末起,工程師們為了縮小DC/DC變換器的體積,提高功率密度,首先從大幅度提高開關電源的工作頻率做起,但這種努力結果是大幅度縮小了體積,卻降低了效率。發熱增多,體積縮小,難過高溫關。因為當時MOSFET的開關速度還不夠快,大幅提高頻率使MOSFET的開關損耗驅動損耗大幅度增加。工程師們開始研究各種避開開關損耗的軟開關技術。雖然技術模式百花齊放,然而從工程實用角度僅有兩項是開發成功且一直延續到現在。一項是VICOR公司的有源箝位ZVS軟開關技術;另一項就是九十年代初誕生的全橋移相ZVS軟開關技術。


    三、直流屏內DC/DC變換器的發展歷程:


    有源箝位技術歷經三代,且都申報了專利。第一代系美國VICOR公司的有源箝位ZVS技術,其專利已經于2002年2月到期。VICOR公司利用該技術,配合磁元件,將DC/DC的工作頻率提高到1MHZ,功率密度接近200W/in3,然而其轉換效率卻始終沒有超過90%,主要原因在于MOSFET的損耗不僅有開關損耗,還有導通損耗和驅動損耗。特別是驅動損耗隨工作頻率的上升也大幅度增加,而且因1MHZ頻率之下不易采用同步整流技術,其效率是無法再提高的。因此,其轉換效率始終沒有突破90%大關。


    為了降低第一代有源箝位技術的成本,IPD公司申報了第二代有源箝位技術專利。它采用P溝MOSFET在變壓器二次側用于forward電路拓樸的有源箝位。這使產品成本減低很多。但這種方法形成的MOSFET的零電壓開關(ZVS)邊界條件較窄,在全工作條件范圍內效率的提升不如第一代有源箝位技術,而且PMOS工作頻率也不理想。


    為了讓磁能在磁芯復位時不白白消耗掉,一位美籍華人工程師于2001年申請了第三代有源箝位技術專利,并獲準。其特點是在第二代有源箝位的基礎上將磁芯復位時釋放出的能量轉送至負載。所以實現了更高的轉換效率。它共有三個電路方案:其中一個方案可以采用N溝MOSFET。因而工作頻率較高,采用該技術可以將ZVS軟開關、同步整流技術、磁能轉換都結合在一起,因而它實現了高達92%的效率及250W/in3以上的功率密度。(即四分之一磚DC/DC做到250W功率輸出及92%以上的轉換效率)


    我們給出三代產品的等效電路,讀者可從其細節品味各自的特色。有關有源箝位技術近年論文論述頗多,此處不多贅述。


    全橋移相ZVS軟開關技術,從90年代中期風靡大功率及中功率開關電源領域。該電路拓樸及控制技術在MOSFET的開關速度還不太理想時,對DC/DC變換器效率的提升起了很大作用。但是工程師們為此付出的代價也不?。?/p>


    第一個代價是要增加一個諧振電感。它的體積比主變壓器小不了多少(約1/2左右),它也存在損耗,此損耗比輸出濾波電感損耗也小不了太多。


    第二個代價是丟失了8-10%的占空比,這種占空比的丟失將造成二次側的整流損耗。所以弄得不好,反而有得不償失的感覺。


    第三,諧振元件的參數需經過調試,能適應工業生產用的準確值的選定是要花費較多的時間,試驗成本較高。


    此外,因同步整流給DC/DC效率的提高帶來實惠頗多,而全橋移相對二次側同步整流的控制效果并不十分理想。例如:


    第一代PWM ZVS全橋移相控制器,UC3875及UCC3895只控制初級側。若要提供準確的控制同步整流的信號需另加邏輯電路。


    第二代全橋移相PWM控制器如LTC1922-1、LTC3722-1/-2,雖然增加了對二次側同步整流的控制信號,在做好ZVS軟開關的同時做好二次側的同步整流。但仍舊不能十分有效地控制好二次側的ZVS ZCS同步整流,而這是提高DC/DC變換器效率最有效的措施。UCC3722-1/-2的另一個重大改進是減小諧振電感的感量,這不僅縮小了諧振電感的體積,而且降低了損耗,占空比的丟失也減小了許多.這里我們給出LTC3722加上同步整流的控制電路,由業界工程師們自己去分析對照。


    在DC/DC業界,應該說,軟開關技術的開發、試驗、直到用于工程實踐,費力不小,但收效卻不是太大?;ㄔ谶@方面的精力和資金還真不如半導體業界對MOSFET技術的改進。經過幾代MOSFET設計工業技術的進步,從第一代到第八代。光刻工藝從5μM進步到0.5μM。完美晶格的外延層使我們將材料所選擇的電阻率大幅下降。加上進一步減薄的晶片。優秀的芯片粘結焊接技術,使當今的MOSFET (例如80V40A)導通電阻降至5mΩ以下,開關時間已小于20ns,柵電荷僅20nc,而且是在邏輯電平下驅動即可。在這樣的條件下,同步整流技術獲得了極好的效果,幾乎使DC/DC的效率提高了將近十個百分點。效率指標已經普遍進入了>90%的范圍。


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    本文來源:由萬正電源集團有限公司(http://www.quotesinfinite.com/)轉載整理于電源網

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