沒(méi)變壓器也可將交流電轉換為直流電

真空管收音機普及以來(lái)，將交流電轉換為直流電的電源已成為幾乎所有電子產(chǎn)品的一部分。雖然電壓等級發(fā)生了變化，但轉換過(guò)程始終包括變壓器以提供兩種功能：電壓轉換和用戶(hù)與市電之間的安全隔離。

為安全起見(jiàn)，AC-DC 轉換電路必須與電源電壓電隔離，以防止觸電危險。變壓器適用于此目的，因為初級側和次級側可以很容易地相互隔離，并且變壓器的設計可以降低或升高電壓。但是使用變壓器也有缺點(diǎn)——尤其是當提高電源效率或減小物理尺寸很重要時(shí)。

如今，電容器還可以將電路與主電源隔離，同時(shí)表現出比變壓器更低的固有損耗。電壓電平轉換也可以使用高頻開(kāi)關(guān)電容器電荷泵進(jìn)行，因此也可以為此目的取消變壓器。因此，電容器可以提供變壓器所提供的基本功能。

值得更全面地研究變壓器及其特性。與電容器相比，變壓器有幾個(gè)缺點(diǎn)。首先，它們很大，通常是電源中最大的組件。它們很重并且大大增加了整體重量。它們是電源設計效率低下的主要原因。

變壓器損耗可分為兩類(lèi)：變壓器繞組中的直流電阻損耗和由磁芯的磁性材料和物理特性引起的磁芯損耗。I 2 R 功率損耗是由于初級和次級導線(xiàn)中的電阻引起的。知道電線(xiàn)的電阻和它們將承載的電流，可以很容易地計算出該參數。盡管 60 Hz 變壓器具有相對較高的直流損耗，但高頻開(kāi)關(guān)模式變壓器可以在一定程度上減輕它們。

變壓器磁芯損耗更為復雜，由多種因素共同產(chǎn)生：磁滯損耗、渦流損耗、磁致伸縮損耗和漏感。

磁滯損耗來(lái)自磁芯材料的固有記憶，當它被磁化時(shí)，并且當磁場(chǎng)必須反轉時(shí)，“記住”磁場(chǎng)的先前方向。每次反轉都需要能量和功率來(lái)克服剩余磁場(chǎng)。

渦流損耗由鐵芯中循環(huán)的感應電流引起，因為鐵芯也是電導體。附近的任何其他導體或組件都可能從變壓器周?chē)奈雌帘未艌?chǎng)中產(chǎn)生感應電流（噪聲）。

磁致伸縮損失來(lái)自芯材中的晶粒運動(dòng)。

漏感是由變壓器初級和次級電感之間的不完美耦合引起的。

與變壓器相比，電容器相對較小，可以通過(guò)仔細選擇所用的值和類(lèi)型來(lái)制造得更小。工作頻率越高，給定交流阻抗（到一個(gè)點(diǎn)）所需的電容越低。

安全電容器通常用于控制高頻電路的傳導和輻射****的產(chǎn)品中，“Y”型電容器通過(guò)了 UL 和其他標準機構的認證，可以跨越隔離屏障運行。Y1 電容器的額定最大工作電壓為 500 Vac，擊穿電壓為 8 kV。Y2、Y3 和 Y4 的額定電壓逐漸降低。由于這些電容器已被 UL 設計并批準用于隔離柵，因此它們也是耦合
電源的明顯選擇。

在隔離柵上使用較高值的電容器時(shí)，必須考慮“接觸電流”等安全問(wèn)題?！鞍踩彪娙萜饔悬c(diǎn)用詞不當，因為隔離兩端的電容太大也會(huì )讓更多的交流電源電流通過(guò)。使用高載波頻率允許使用較小值的電容器。此外，最好使用更高的電壓，因此使用更低的電流，以保持盡可能低的無(wú)功阻抗損耗。

Helix 無(wú)變壓器概念板的方框圖，用作測試新型集成雙芯片組 MuxCapacitor 和其他專(zhuān)有技術(shù)概念的工具。

MuxCapacitor 是一種專(zhuān)有的電荷泵電路，可以以 99% 的效率增加或減少輸入到輸出電壓（和電流）水平。最終的芯片組將有兩個(gè)獨立的 MuxCapacitor 塊，一個(gè)位于隔離屏障的兩側。為了在隔離勢壘上獲得最佳效率，初級側的電壓必須盡可能高。為此，對初級側整流線(xiàn)路電壓進(jìn)行調節，以在將功率發(fā)送穿過(guò)勢壘之前將電壓保持在盡可能高的水平。

由于該電路打算在全球范圍內使用，因此該輸入電壓可以在 85 至 220 Vac 之間變化，整流后約為 120 至 310 Vdc。初級側 MuxCapacitor 級用于檢測輸入電壓并調整其輸出，以使驅動(dòng)器或“調制器”的輸入盡可能接近 300 V。因此，它可以在不同的增益/衰減水平下運行，以將 V+ 電源保持在恒定水平。

在次級側，二極管電橋解調器的輸出存儲在電容器上（在上圖中表示為 C3，典型的無(wú)變壓器電路配置）。這是次級側 MuxCapacitor 級的輸入，它使用可變增益降壓 MuxCapacitor 將 C3 上的電壓從大約 300 Vdc（標稱(chēng)值）降低到 20 Vdc。初級側和次級側 MuxCapacitor 級都可以根據不同的輸入功率和輸出負載條件進(jìn)行調整。

參照上述概念電路，調制器的工作頻率約為 125 kHz。每個(gè)充電周期有兩個(gè)階段。主電源施加到初級側二極管電橋的輸入端，并對連接在初級側電壓調節電路輸入端的電容器 C4 充電。該級輸出電壓以向內部開(kāi)關(guān) Q1 和 Q3 提供 V+。

對于第一階段，Q1 和 Q4 導通，V+ 電流流過(guò)勢壘 L1/C1。然后，耦合電流正向偏置二極管 D1 以對 C3 充電，C3 跨接在次級側 MuxCapacitor 電路的輸入端。C3 隔離接地的返回路徑是通過(guò) D4，然后返回穿過(guò) C2/L2 并通過(guò) Q4 到達初級側接地。

第一階段電荷轉移到 C3 后，開(kāi)關(guān) Q1 和 Q4 斷開(kāi)。第二階段周期開(kāi)始，開(kāi)關(guān) Q2 和 Q3 導通。V+ 電流流經(jīng) Q3，經(jīng)過(guò) L2/C2 和 D3，并再次繼續為 C3 充電。返回路徑現在通過(guò) D2，穿過(guò) C1/L1 到 Q2 到初級側地。電荷轉移后，開(kāi)關(guān)Q2和Q3斷開(kāi)，如此循環(huán)。

次級側大容量電容器的充電方式與傳統的基于變壓器的全波橋式電源類(lèi)似——主要區別在于電荷是通過(guò)兩個(gè)電容器而不是變壓器以脈沖形式耦合的。電容隔離勢壘軟開(kāi)關(guān)電感器（L1、L2）和電容器（C1、C2）的選擇決定了關(guān)鍵的電源性能規格，包括最大功率傳輸、最佳調制頻率、安全等級和接觸電流。

上圖是用于測試 Helix MuxCapacitor 技術(shù)的概念板。

該板專(zhuān)為觸摸電流和隔離的 UL 測試而設計。接下來(lái)是提交給UL的MaxCapacitor概念板在各種勢壘開(kāi)關(guān)頻率下的輸出效率vs.輸出電流，以及各種勢壘開(kāi)關(guān)頻率下的輸出效率vs.輸出電流。底部，概念板上電感器散發(fā)的熱量在熱圖像中變得明顯。電感器是紅色和黃色區域，驅動(dòng)器是圖片中心垂直延伸的四個(gè)暗區。所有其他組件都接近環(huán)境溫度。

此處顯示的概念板設計受初級側和次級側電子設備的限制，只能在 ~125 kHz 開(kāi)關(guān)頻率下以 10 W 運行。但是，用于電容隔離屏障的基本拓撲將支持 65 W 的最大功率傳輸。需要進(jìn)行調整以支持更高的功率和電壓。開(kāi)關(guān)頻率以及電容器、電感器和驅動(dòng)器都需要改變。

在實(shí)現此測試板時(shí)，使用了使用現有低壓 MuxCapacitor 級的硅。由于可用硅的電壓和功率限制，電路操作并不完全代表最終產(chǎn)品能夠做什么。所用 MuxCapacitor 器件的額定電壓限制了隔離柵兩端可接受的電壓。MuxCapacitor 塊使用通過(guò) X-FAB XDM10（初級側）和 XT018（次級側）工藝制造的現有硅。次級側某些組件允許的最大電壓為 60 V。最終產(chǎn)品將使用 400 V 工藝和 300 V 跨越勢壘。對于隔離屏障測試，較低電壓的次級側組件被旁路，因此可以使用高達 200 V 的電壓。

原型板旨在成為 UL 批準接觸電流和隔離的載體?？梢允褂玫淖畲筝斎腚妷菏怯邢薜?，因此測試包括將 152 V 電壓施加到調制器的輸入端并繞過(guò)將包含在最終硅中的電壓調節。經(jīng)過(guò)全波橋“解調”后，輸出通過(guò)直流大容量電容器在次級側獲取。時(shí)鐘頻率可以變化，因此可以測試勢壘頻率對操作的影響。隔離耦合的元件值由兩個(gè) 2.2nF Y1 電容器和兩個(gè) 1mH 電感器串聯(lián)組成（每個(gè)支路中有一個(gè)電容器和一個(gè)電感器）。它們的諧振頻率為 107 kHz。

該電路在使用零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 時(shí)性能最佳。沒(méi)有電感器，驅動(dòng)器會(huì )耗散更多的功率。這些開(kāi)關(guān)具有三種會(huì )降低效率的相關(guān)寄生效應：導通電阻 R dson、輸出電容 C oss和柵極電容 C g。開(kāi)關(guān)時(shí)序取決于 R dson和 C oss，它們決定了所需的死區時(shí)間。如果沒(méi)有電感器，開(kāi)關(guān)損耗將為 4C oss V+2f，其中 f 是開(kāi)關(guān)頻率。

這種損失可以使用 ZVS 消除，其中電感器恢復 C oss上的電荷。柵極具有類(lèi)似的損耗，但由于柵極開(kāi)關(guān)電壓低得多，所以不太明顯。使用所用的電容器和電感器值，可以通過(guò)改變操作頻率來(lái)調整操作和效率。

為了使 ZVS 正常工作，L/C 網(wǎng)絡(luò )的凈阻抗必須是感性的，因此最佳工作頻率略高于耦合網(wǎng)絡(luò )的諧振頻率。觀(guān)察到改變頻率會(huì )影響效率，這表明調整勢壘頻率是優(yōu)化整體效率的一種方式。

在 150 kHz 時(shí)，最佳總效率 (95%) 是在 45 mA 時(shí)測得的。從 50 到 65 mA，最高效率 (95.25%) 是在 125 kHz 時(shí)。降低接近諧振點(diǎn)的勢壘頻率會(huì )降低峰值效率，并且不同負載的效率變得更平坦。盡管電路未工作在諧振狀態(tài)，但 L/C 網(wǎng)絡(luò )中的容抗和感抗大部分抵消，但仍有一些感抗存在。僅使用電容器操作不會(huì )有這種好處，而且損耗會(huì )更高。

當勢壘頻率上升到諧振點(diǎn)以上時(shí)，輸出電壓隨著(zhù)輸出電流的上升而下降。與 125 和 150 kHz 的性能相比，150 kHz 以上的運行對性能沒(méi)有幫助，并且在 175 kHz 時(shí)顯著(zhù)降低了性能，尤其是輸出電壓與輸出電流的關(guān)系。當勢壘在諧振頻率附近運行時(shí)，輸出電壓和效率在測試電流范圍內相對平坦，但效率低于在略高于諧振頻率的頻率下運行時(shí)的效率。這意味著(zhù)可以設置勢壘頻率以?xún)?yōu)化整體效率。

ZVS 的另一個(gè)好處是電路板在沒(méi)有顯著(zhù)組件功耗（即熱量）的情況下運行。電感器是電路板上最熱的組件，但在 13 W 時(shí)僅約 50°C。ZVS 減少了其他組件的損耗，但增加了電感器的耗散。使用具有較低 ESR 和較高 Q 值的電感器應該可以提高效率。

總而言之，顯然可以使用電容器有效地傳遞功率并提供隔離。其他工作正在繼續構建 65-W 高功率板并優(yōu)化所使用的組件。計劃在更高的電壓和勢壘頻率下運行以提高性能。通過(guò) UL 要求是第一個(gè)大障礙，現在正在進(jìn)行電路優(yōu)化，以使該技術(shù)成為隔離和功率傳輸的未來(lái)。