高效率和超寬輸入電壓范圍DC-DC變換器的設計方法

高效率和超寬輸入電壓范圍DC-DC變換器的設計方法

一個隔離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。對于那些應用于48V輸入電信市場的工業(yè)標準磚型產(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)時間很長，需要濾波器濾掉。

作為一個例子，表1顯示在不同鐵路系統(tǒng)標準中分布式電壓的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)范圍。軍用車輛設計規(guī)范也需要類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變換器的另外一個原因是建立一個可以被用于不同直流系統(tǒng)的“通用”產(chǎn)品，對于標稱值為12V, 24V和48V的電池系統(tǒng)，一般需要提供三個不同的輸入電壓版本，作為替代，一個能夠在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)成本和降低庫存。

表1：幾種鐵路標準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，但存在一個主要問題：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隨輸入電壓范圍變寬而降低。這是一種自然結(jié)果，因為在設計最高輸入電壓的同時，還必須處理在輸入電壓最低時所帶來的非常大的輸入電流。對于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)果作為一個合理的折中是可以接受的。但是，當一個變換器設計用來處理8:1輸入范圍時，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。對與變換器隔離變壓器相關(guān)的功率電路來講是非常嚴重的。

由于上述的限制，在商業(yè)上沒有很多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，如圖1所示。在此圖中，變換器的第一級是非隔離降壓變換器，同時通過改變占空比進行電壓調(diào)整功能。變換器的第二級提供沒有任何電壓調(diào)整的電氣隔離功能，而且一般還可以根據(jù)變壓器的變比進行進一步的降壓。這就是SynQor作為高效DC/DC變換器的領先者如何設計其所有的產(chǎn)品。

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

這種兩級設計的優(yōu)勢是只有第一級看到了輸入電壓的寬范圍。當寬輸入電壓帶來的損失必須要這個第一級承擔時，但這種損失并不嚴重，因為第一級不需要隔離變壓器。對于含有變壓器的隔離級，則無需面對寬輸入電壓范圍。在這種兩級設計中，其輸入電壓作為兩級方案中的中間總線電壓一直是不變的。這就允許隔離級被優(yōu)化為單一工作條件，而且使得隔離級非常容易實現(xiàn)基于同步整流的設計，這種同步整流設計可以極大地降低功耗。在隔離級效率地提升彌補在調(diào)整級發(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，堅固耐用，輸入電壓范圍高達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。對于3.3V輸出電壓的最大功率等級和典型效率也顯示在此表中。盡管隨著輸入電壓范圍變寬，其功率等級和效率存在一些降低，但是并不非常明顯。這就是兩級拓撲方案對功率電路設計的結(jié)果。

除了能夠滿足不同輸入電壓范圍的需求，SynQor工業(yè)級DC/DC變換器InQor系列是全密封設計，非常堅固，能夠應用于苛刻的環(huán)境，而這種環(huán)境時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)級產(chǎn)品InQor系列，其功率等級和效率是標稱輸入電壓和輸入電壓范圍的函數(shù)。