高效率和超寬輸入電壓范圍DC-DC變換器的設(shè)計(jì)方法

一個(gè)隔離DC/DC變換器的參數(shù)之一是該變換器能夠正常工作的輸入電壓范圍。對(duì)于那些應(yīng)用于48V輸入電信市場(chǎng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)磚型產(chǎn)品，其輸入電壓范圍通常是36V~75V，或輸入電壓的最高值和最低值之比為2:1。但是有很多的應(yīng)用期望變換器能夠處理更寬的輸入電壓范圍。比如，在一些系統(tǒng)應(yīng)用中分布式輸入電壓具有很大的瞬態(tài)和浪涌，而且持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，需要濾波器濾掉。

作為一個(gè)例子，表1顯示在不同鐵路系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中分布式電壓的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)范圍。軍用車(chē)輛設(shè)計(jì)規(guī)范也需要類(lèi)似的寬輸入電壓范圍，這樣可以滿足其分布式電壓的變化。使用寬輸入電壓范圍DC/DC變換器的另外一個(gè)原因是建立一個(gè)可以被用于不同直流系統(tǒng)的“通用”產(chǎn)品，對(duì)于標(biāo)稱(chēng)值為12V, 24V和48V的電池系統(tǒng)，一般需要提供三個(gè)不同的輸入電壓版本，作為替代，一個(gè)能夠在9V到75V工作的變換器提供了單一解決方案。這種單一方案可以節(jié)省生產(chǎn)成本和降低庫(kù)存。

表1：幾種鐵路標(biāo)準(zhǔn)中輸入電壓范圍的規(guī)范要求。

盡管人們期望有一款寬輸入變換器，但存在一個(gè)主要問(wèn)題：在傳統(tǒng)產(chǎn)品中，模塊工作的輸入電壓范圍越寬，變換器的性能越差。一般來(lái)講，在給定的尺寸，比如1/4磚，變換器的效率和能夠處理的功率會(huì)隨輸入電壓范圍變寬而降低。這是一種自然結(jié)果，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)最高輸入電壓的同時(shí)，還必須處理在輸入電壓最低時(shí)所帶來(lái)的非常大的輸入電流。對(duì)于2:1輸入范圍的變化器，其最大輸入電壓和最大輸入電流的積是需要處理功率的兩倍，這種結(jié)果作為一個(gè)合理的折中是可以接受的。但是，當(dāng)一個(gè)變換器設(shè)計(jì)用來(lái)處理8:1輸入范圍時(shí)，其最大輸入電壓和最大輸入電流的積是需要處理功率的8倍，這種結(jié)果是非常極端的。對(duì)與變換器隔離變壓器相關(guān)的功率電路來(lái)講是非常嚴(yán)重的。

由于上述的限制，在商業(yè)上沒(méi)有很多DC/DC變換器能夠處理很寬的輸入電壓范圍，但少數(shù)“超寬”4:1輸入的變換器在給定的物理尺寸下典型處理不到1/2的功率，這是與只有2:1輸入電壓輸入范圍的變換器在相同尺寸下所處理的功率相比。另外，寬輸入變換器的轉(zhuǎn)換效率一般比2:1輸入變換器低10%-25%。

在寬輸入范圍變換器中減少這種損失的一種方法是將變換器的調(diào)整功能從其隔離功能中分離出來(lái)，如圖1所示。在此圖中，變換器的第一級(jí)是非隔離降壓變換器，同時(shí)通過(guò)改變占空比進(jìn)行電壓調(diào)整功能。變換器的第二級(jí)提供沒(méi)有任何電壓調(diào)整的電氣隔離功能，而且一般還可以根據(jù)變壓器的變比進(jìn)行進(jìn)一步的降壓。這就是SynQor作為高效DC/DC變換器的領(lǐng)先者如何設(shè)計(jì)其所有的產(chǎn)品。

圖1：SynQor兩級(jí)DC/DC變換器拓?fù)?，其中非隔離調(diào)整級(jí)在非調(diào)整隔離級(jí)之前。

這種兩級(jí)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是只有第一級(jí)看到了輸入電壓的寬范圍。當(dāng)寬輸入電壓帶來(lái)的損失必須要這個(gè)第一級(jí)承擔(dān)時(shí)，但這種損失并不嚴(yán)重，因?yàn)榈谝患?jí)不需要隔離變壓器。對(duì)于含有變壓器的隔離級(jí)，則無(wú)需面對(duì)寬輸入電壓范圍。在這種兩級(jí)設(shè)計(jì)中，其輸入電壓作為兩級(jí)方案中的中間總線電壓一直是不變的。這就允許隔離級(jí)被優(yōu)化為單一工作條件，而且使得隔離級(jí)非常容易實(shí)現(xiàn)基于同步整流的設(shè)計(jì)，這種同步整流設(shè)計(jì)可以極大地降低功耗。在隔離級(jí)效率地提升彌補(bǔ)在調(diào)整級(jí)發(fā)生的任何附加損失都大有幫助。

圖2：SynQor半磚新產(chǎn)品系列IQ64，堅(jiān)固耐用，輸入電壓范圍高達(dá)8:1。

圖2顯示了SynQor新系列產(chǎn)品IQ64系列8:1超寬輸入半磚DC/DC變換器。表2顯示了SynQor新系列產(chǎn)品的不同輸入電壓范圍。從表中可以看出，除了正常的2:1 輸入范圍，還有4:1 輸入范圍的產(chǎn)品，甚至8:1輸入范圍的產(chǎn)品。對(duì)于3.3V輸出電壓的最大功率等級(jí)和典型效率也顯示在此表中。盡管隨著輸入電壓范圍變寬，其功率等級(jí)和效率存在一些降低，但是并不非常明顯。這就是兩級(jí)拓?fù)浞桨笇?duì)功率電路設(shè)計(jì)的結(jié)果。

除了能夠滿足不同輸入電壓范圍的需求，SynQor工業(yè)級(jí)DC/DC變換器InQor系列是全密封設(shè)計(jì)，非常堅(jiān)固，能夠應(yīng)用于苛刻的環(huán)境，而這種環(huán)境時(shí)常伴隨著有如此挑戰(zhàn)性技術(shù)要求的系統(tǒng)。

表2：SynQor新工業(yè)級(jí)產(chǎn)品InQor系列，其功率等級(jí)和效率是標(biāo)稱(chēng)輸入電壓和輸入電壓范圍的函數(shù)。