功率轉換拓樸架構重要嗎?

　　DC-DC 轉換部份在電子產(chǎn)品中可謂無(wú)處不在。全球所有電子系統都由直流供電，其中大部份都用 DC-DC 轉換器來(lái)把電壓轉換成系統各個(gè)部份所需要的電壓。目前，這種功率轉換功能大都由高功率密度的 DC-DC 轉換器來(lái)完成。這些轉換器以高頻率的開(kāi)關(guān)技術(shù)為基礎。而在開(kāi)關(guān)轉換器中，有效的開(kāi)關(guān)頻率一直被視為模塊功率密度大小，性能表現優(yōu)劣的關(guān)鍵。開(kāi)關(guān)頻率高，所用的磁性元件和電容愈小，反應時(shí)間更快，噪聲更低，濾波要求較小。

　　雖然市面上有上百種的 DC-DC 轉換器，各有不同的設計和拓樸結構，大體可以歸為兩大類(lèi)：脈寬調制式 (PWM) 和準諧振零電流開(kāi)關(guān) (ZCS) 兩種。目前，市面上有一種 DC-DC 轉換器，它的功率密度高，成本低及體積細小，而且有多種輸入、輸出電壓選擇。問(wèn)題是：功率轉換架構是關(guān)鍵因素嗎?

　　對，功率轉換拓樸架構的確十分重要。

　　在脈寬調制式架構，輸入電壓開(kāi)關(guān)頻率是固定的(一般是數百 kHz)，做成一連串的脈沖，利用調節脈沖的寬度來(lái)為負載提供正確的輸出電壓及足夠的電流。滿(mǎn)載時(shí)，電流的波形是一個(gè)方波 (圖1)。

圖1 - 零電流開(kāi)關(guān)和脈寬調制式架構的電流波形

　　脈寬調制式轉換器的功率密度是有局限的，因為它需要在工作效率和開(kāi)關(guān)效率間作取舍。問(wèn)題的核心在于 “開(kāi)關(guān)損耗” 。開(kāi)關(guān)元件在瞬時(shí)導通和關(guān)斷 (T3是固定的)時(shí)，使電感電流產(chǎn)生不連續性的狀態(tài)，因而產(chǎn)生熱量。由于功耗來(lái)自開(kāi)關(guān)損耗，它會(huì )隨著(zhù)脈寬調制式轉換器的開(kāi)關(guān)頻率增高而增大，直至它變?yōu)橐粋€(gè)顯著(zhù)的耗損成因 (T1 是可變的)，達到了那一點(diǎn)，效率會(huì )迅速減低，開(kāi)關(guān)元件所承受的熱及機械應力變得無(wú)法處理。這種非零電流開(kāi)關(guān)轉換器具有開(kāi)關(guān)損耗的屬性，變?yōu)?“開(kāi)關(guān)頻率障礙”，限制了它提升功率密度的能力。

　　準諧振的零電流開(kāi)關(guān)轉換器在零電流的瞬間采用正向開(kāi)關(guān)，克服了開(kāi)關(guān)頻率障礙。每個(gè)開(kāi)關(guān)周期傳送等量的“能量包”到轉換器的輸出端。每個(gè) “開(kāi)” 與“關(guān)” 都在零電流的瞬間進(jìn)行，形成一種近于沒(méi)有功耗的開(kāi)關(guān)。零電流開(kāi)關(guān)轉換器的工作頻率可超出 1 MHz。它避免了傳統拓樸結構那不連續性電流的特性；實(shí)現 “無(wú)功耗” 的把能量由輸入傳輸至輸出，大大減低傳導和輻射噪聲。

　　準諧振轉換器的波形是一半弦波 (圖1)，產(chǎn)生的諧波很小。此外，由于電流的波形沒(méi)有尖峰，減少電抗元件的應力，減低寄生噪聲。相反，PWM 的沖波形帶尖峰，不單產(chǎn)生開(kāi)關(guān)頻率的諧波，而且加大電抗元件的應力，在更高的頻率 (10 – 30 MHz) 上產(chǎn)生寄生噪聲。這些都是噪聲，傳入輸入線(xiàn)(傳導)，及在空氣中傳播(輻射)。采用這類(lèi)轉換器，濾波和屏蔽可能是一個(gè)棘手的問(wèn)題。這要取決于最終系統的噪聲要求。

　　再者，由于零電流開(kāi)關(guān)的轉換器的開(kāi)關(guān)頻率很高 (因為電抗元件如電容和磁性元件的體積很小)，它的功率密度比 PWM 轉換器高出1倍。而且，它的效率曲面亦較平坦，從 20% 負載到滿(mǎn)載的分別不大，而 PWM 轉換器的效率在滿(mǎn)載時(shí)最高，然后下降。如果應用需要動(dòng)態(tài)負載，或并不是在滿(mǎn)載工作，這點(diǎn)便要十分注意。

　　零電流開(kāi)關(guān)架構的其它特性還包括：寬闊的可調輸出電壓和均流能力。良好的均流可令并聯(lián)操作和冗余應用更容易。

　　寬闊的可調輸出電壓為電源工程師提供更多選擇。市面上的 DC-DC 轉換器，常見(jiàn)的調節范圍是+/-10%，有些轉換器的可調范圍由+20% 至 -50%。Vicor 的 Maxi，Mini 或 Micro 轉換器的調節范圍是額定電壓的 10% 到 110%?？捎霉潭娮柚?、電位器或DAC 來(lái)調節轉換器的輸出電壓。以一個(gè) 24V 輸出的轉換器為例，它的輸出電壓可調節至 12V 或 15V。一個(gè) 400W，5V 輸出的轉換器可以調節為 3.3V、2V 或 1.2V 于 80A 輸出。

　　Vicor 模塊的 N+M 均流架構會(huì )自動(dòng)選出一個(gè)模塊作為主導。其它模塊會(huì )變?yōu)檩o從，與它同步工作。陣列內的模塊在輸入那邊的母線(xiàn)以高速脈沖來(lái)通信?？梢员O測脈沖變化來(lái)判斷系統的工作情況。如果主導模塊失效，另一個(gè)模塊會(huì )自動(dòng)被選為主導，系統仍然繼續工作，不受影響。由于每個(gè)同步脈沖的時(shí)距是納秒，模塊可用一個(gè)小電容作交流耦合，這個(gè)電容可以復制母線(xiàn)和提供隔離，保證個(gè)別干擾或模塊短路不會(huì )影響整個(gè)系統。

　　如果上述各項特性，如噪聲、功率密度、平穩的效率、輸出電壓調節范圍或容錯冗余等都是重要考慮因素，那么，轉換器的拓樸架構便十分重要。