下一代48V分布式電源架構的電源設計

如果要保留緊湊磚型模式的同時(shí)縮減電源尺寸,就會(huì )遇到如何處理高功率密度所需的散熱問(wèn)題,如何將所有必要組件集成在有限的空間內等等問(wèn)題。本文就是介紹針對這一問(wèn)題所展開(kāi)的既可以節省空間又能夠簡(jiǎn)化48V分布式電源架構(DPA)應用的前端設計方法。

　　為了在保留緊湊磚型模式的同時(shí)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部。但同時(shí)采取上述兩種做法卻給電源設計者帶來(lái)了諸多挑戰,其中包括：如何處理高功率密度所需的散熱問(wèn)題,如何將所有必要組件集成在有限的空間內等等。

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

碳化硅半導體

通過(guò)升壓轉換器集成滿(mǎn)足EN61000-3-2要求的有源PFC是原型設計的一個(gè)主要目標。設計的難點(diǎn)在于：為了將模塊高度保持在標稱(chēng)半英寸高模塊的公差范圍內,很明顯需要使用的開(kāi)關(guān)頻率將大大高于離散PFC階段通常所具有的開(kāi)關(guān)頻率。這意味著(zhù),為了讓PFC級滿(mǎn)足規格要求并且將功耗減至最低,需要復合緩沖電路或一系列肖特基二極管的保護。不幸的是,這兩種作法所需要的空間都違背了原型設計的微型化目標。好在設計人員已經(jīng)找到了一種解決方法,即最新的碳化硅(SiC)半導體技術(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(kāi)關(guān)速度就越慢。正因為如此,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(kāi)關(guān)速度的電容極小)所呈現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)行原型設計,利用其在極高頻率下工作的能力,為它提供所需要的保護。

低損耗拓撲架構

對熱性能的嚴格要求可以通過(guò)在轉換器內盡量減少開(kāi)關(guān)損耗得以緩解。全橋式轉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(wèn)題的了解促進(jìn)了中間總線(xiàn)DC/DC轉換器設計的變化,但是直到現在,這些變化還未被應用于A(yíng)C/DC轉換階段。

傳統上,四橋式開(kāi)關(guān)由輸出電壓控制信號所產(chǎn)生的邏輯信號調制脈寬。原型產(chǎn)品的磚型設計選擇了一種稍微不同的技術(shù),如圖1所示。這種拓撲結構通過(guò)一個(gè)恒定占空比來(lái)開(kāi)關(guān)主側面橋開(kāi)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行),因而大大降低了開(kāi)關(guān)損耗。

圖1

采用這種拓撲架構可以確保輸出電感足夠小。在應用于DC/DC中間總線(xiàn)轉換器時(shí),使用次級側面開(kāi)關(guān)調制輸出電感器的伏特-秒可以獲得閉環(huán)調整。但是新的解決方案不需要閉環(huán)調整,因為前端的有源PFC將提供足夠穩定的380伏輸入以產(chǎn)生充分調整的48伏直流電壓輸出,而無(wú)需使用閉環(huán)控制。實(shí)際上這種輸出是“半調整”式的,但這已經(jīng)足夠,因為由AC/DC電源供電的DC/DC轉換器本身將進(jìn)行調整。以這種方式運行全橋開(kāi)關(guān)會(huì )導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,因為在這個(gè)設計中關(guān)閉時(shí)間(在這期間電感器處于運行狀態(tài))被降至最低。

平面變壓器

作為一種能夠解決電源設計者所面臨機電問(wèn)題的有效方法,平面變壓器開(kāi)始被廣泛認為。與使用纏繞在傳統線(xiàn)軸上的圓截面銅線(xiàn)變壓器相比,這些變壓器可以做的更為小巧。精密銅引線(xiàn)框或蝕刻繞組可達到的設計規格精度要遠遠高于繞線(xiàn)變壓器的精度。在組裝平面變壓器時(shí)可達到的重復度也更高。蝕刻或壓印的銅引線(xiàn)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。這一薄片狀結構也加強了繞組間的磁耦合性,導致低漏電感。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(lái)越多的DC/DC轉換器設計者開(kāi)始轉而采用平面變壓器來(lái)增強電性能和熱性能,以及顯著(zhù)縮小物理尺寸,而這一舉措在A(yíng)C/DC裝置中并不常見(jiàn)。但是,隨著(zhù)對帶有兩個(gè)原級和三個(gè)次級(且有高度限制)轉換器要求的出現,CD的AC/DC原型應用很明顯需要使用平面式結構。

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

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用,因為無(wú)法在其結構中加入足夠的銅。相反,CD的原型模塊將使用離散的獨立平面變壓器(見(jiàn)圖2)以最大化節省空間,同時(shí)滿(mǎn)足安全要求并提供最佳的整體實(shí)施成本。

圖2