高功率密度DC/DC變換器的發(fā)展現(xiàn)狀

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高功率密度DC/DC變換器的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以DC/DC變換器為核心的開(kāi)關(guān)電源和電力操作電源的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，系統(tǒng)電源適配器需用的DC/DC變換器越來(lái)越多，對(duì)其性能要求也越來(lái)越高，除去常規(guī)電性能指標(biāo)以外，對(duì)其體積要求越來(lái)越小，也就是對(duì)其功率密度的要求越來(lái)越高，對(duì)轉(zhuǎn)換效率要求也越來(lái)越高，發(fā)熱越來(lái)越少，平均無(wú)故障工作時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，可靠性越來(lái)越好，因此如何開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出更高功率密度、更高轉(zhuǎn)換效率、更低成本、更高性能的DC/DC變換器始終是近20年來(lái)電力電子技術(shù)工程師追求的目標(biāo)。通過(guò)提高開(kāi)關(guān)變換器的工作頻率，可以大大的減小開(kāi)關(guān)變換器的體積，提高功率密度。然而提高開(kāi)關(guān)變換器的工作頻率后，開(kāi)關(guān)損耗增加，電磁噪聲增大，開(kāi)關(guān)器件的電壓或電流應(yīng)力增加。為了解決提高工作頻率所帶來(lái)的問(wèn)題，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)被提出。例如，Lucent公司開(kāi)發(fā)出第一個(gè)半磚DC/DC時(shí)，輸出功率才30W，效率只有78%，如今半磚的DC/DC輸出功率已達(dá)到300W，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)93.5%。
自20世紀(jì)80年代末起，為了縮小DC/DC變換器的體積，提高功率密度，首先從大幅度提高電源適配器的工作頻率做起，但這種努力的結(jié)果是大幅度減小了體積，卻降低了效率，發(fā)熱增多。因?yàn)楫?dāng)時(shí)MOSFET的開(kāi)關(guān)速度還不夠快，大幅提高頻率使MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗、驅(qū)動(dòng)損耗大幅度增加，因此開(kāi)始研究各種避開(kāi)開(kāi)關(guān)損耗的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，雖然技術(shù)模式多樣，但是從工程實(shí)用角度僅有兩項(xiàng)是開(kāi)發(fā)成功且一直延續(xù)到現(xiàn)在的：一項(xiàng)是VICOR公司的有源鉗位ZVS軟開(kāi)關(guān)技術(shù);另一項(xiàng)就是在20世紀(jì)90年代初誕生的全橋移相ZVS軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。
有源鉗位技術(shù)歷經(jīng)三代。第一代系VICOR公司的有源鉗位ZVS技術(shù)。VICOR公司利用該技術(shù)，配合磁元件，將DC/DC的工作頻率提高到1MHz，功率密度接近200W/in3，但轉(zhuǎn)換效率卻始終沒(méi)有超過(guò)90%，主要原因在于MOSFET的損耗不僅有開(kāi)關(guān)損耗，還有導(dǎo)通損耗和驅(qū)動(dòng)損耗。特別是驅(qū)動(dòng)損耗，隨工作頻率的上升也大幅度增加，而且在1MHz頻率之下不易采用同步整流技術(shù)，使效率無(wú)法再提高，因此轉(zhuǎn)換效率始終沒(méi)有突破90%大關(guān)。
為了降低第一代有源鉗位技術(shù)的成本，IPD公司采用P溝道MOSFET在變壓器二次側(cè)用于FORWARD電路拓樸的有源鉗位，使產(chǎn)品成本減低很多。但這種方法形成的MOSFET零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）邊界條件較窄，在全工作條件范圍內(nèi)的效率提升不如第一代有源鉗位技術(shù)，而且PMOS工作頻率也不理想。
為了讓磁能在磁心復(fù)位時(shí)不白白消耗掉，研發(fā)了第三代有源鉗位技術(shù)，其特點(diǎn)是在第二代有源鉗位的基礎(chǔ)上將磁心復(fù)位時(shí)釋放出的能量轉(zhuǎn)送至負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了更高的轉(zhuǎn)換效率。共有三個(gè)電路方案。其中一個(gè)電路方案可以采用N溝道MOSFET，工作頻率較高，可以將ZVS軟開(kāi)關(guān)、同步整流技術(shù)、磁能轉(zhuǎn)換都結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)92%的效率及250W/in3以上的功率密度，即1/4磚DC/DC做到的250W功率輸出及92%以上的轉(zhuǎn)換效率。
電源適配器應(yīng)用領(lǐng)域仍以PWM型DC/DC產(chǎn)品為主流產(chǎn)品，對(duì)電源適配器產(chǎn)品的基本要求是高性能、高可靠、高穩(wěn)定和實(shí)現(xiàn)模塊化（可熱更換），對(duì)高功率密度產(chǎn)品的需求也在明顯增加。目前，高功率密度開(kāi)關(guān)式DC/DC在電源適配器總產(chǎn)量中所占的比例見(jiàn)表。
表1高功率密度開(kāi)關(guān)式DC/DC在電源適配器總產(chǎn)量中所占的比例

正是因?yàn)殡娮釉O(shè)備向高性能、高可靠及小型、輕量化發(fā)展，所以對(duì)高功率密度DC/DC產(chǎn)品有如此大的需求。為使DC/DC變換器滿足市場(chǎng)需求，產(chǎn)品的輕、小、薄及高頻化（開(kāi)關(guān)頻率提高到MHz級(jí)）是必然發(fā)展趨勢(shì)。但是高頻化卻能造成傳統(tǒng)的PWMDC/DC變換器功耗加大、效率降低及噪聲增加，因此無(wú)法達(dá)到高頻、高效的預(yù)期效益。
諧振開(kāi)關(guān)的概念奠定了諧振變換器技術(shù)的基礎(chǔ)，用零電流諧振開(kāi)關(guān)或零電壓諧振開(kāi)關(guān)代替PWM變換器的功率開(kāi)關(guān)可得到一種準(zhǔn)諧振變換器。VICOR公司較先使軟開(kāi)關(guān)技術(shù)實(shí)用化，首批推出VI—300系列（指該系列變換器模塊額定輸入是300V）三種型號(hào)的零電流開(kāi)關(guān)高功率密度DC/DC變換器。目前，美國(guó)VICOR公司、加拿大北方電信公司、日本的NEMIC-LAMBDA均開(kāi)發(fā)出采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的電源適配器產(chǎn)品。中國(guó)臺(tái)灣也有4家廠商從事軟開(kāi)關(guān)和諧振技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究。在我國(guó)，原電子部第43所1997年成功通過(guò)了“RGF28S05型諧振式DC/DC變換器”的設(shè)計(jì)定型鑒定。這是中國(guó)自己設(shè)計(jì)制造的第一只采用零電流、“準(zhǔn)諧振”軟開(kāi)關(guān)正激電路控制的高功率密度諧振式DC/DC變換器。展望21世紀(jì)，軟開(kāi)關(guān)高功率密度DC/DC變換器無(wú)疑將是主流產(chǎn)品。

1.第一代高功率密度PWMDC/DC產(chǎn)品的局限性
如前面所述，VICOR公司首先向市場(chǎng)推出了采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的VI—300系列DC/DC變換器，與第一代采用PWM控制技術(shù)的VICOR公司的VI—200系列相比，功率密度增大兩倍，元器件總數(shù)量?jī)H為原來(lái)的1/3，達(dá)到了低成本、高性能、高功率輸出的目的。

近20年，“第一代產(chǎn)品”為電子系統(tǒng)的小型化做出了很大貢獻(xiàn)，同時(shí)與分立式電源適配器相比也有很多優(yōu)點(diǎn)，如縮小了體積、縮短了生產(chǎn)周期。因?yàn)镻WM技術(shù)的控制能力強(qiáng)、電路簡(jiǎn)單、使用方便，所以在世界的電源適配器領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。
但是“第一代產(chǎn)品”在設(shè)計(jì)上只在50～200kHz的頻率范圍內(nèi)可達(dá)到較佳的性能價(jià)格比，用高頻化實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步地縮小體積、增加功率密度已是不大可能了。例如，作為典型的“第一代產(chǎn)品”，VICOR公司VI—200系列的DC/DC變換器已經(jīng)使用了當(dāng)代主流電子組裝技術(shù)：表面組裝技術(shù)，但是所用的磁體結(jié)構(gòu)未變，仍然是30年來(lái)一直沿用的磁罐及在原通信設(shè)備中繼承下來(lái)的結(jié)構(gòu)，即適用信號(hào)處理而不適用功率變換，因此不僅影響了功率密度的提高，還增添了噪聲，影響了散熱。再有，采用TO—220封裝的開(kāi)關(guān)器件給組裝方案帶來(lái)不便，易受過(guò)量寄生電感、電容的影響，次生了高噪聲電平。
“第一代產(chǎn)品”在實(shí)際應(yīng)用中被放寬使用，勉強(qiáng)地滿足通信、工業(yè)、軍用地面裝置在高、中范圍的電子數(shù)據(jù)處理（EDP）及可承受用戶修改設(shè)計(jì)的其他方面需求。當(dāng)向較低檔、大批量EDP及商業(yè)用設(shè)備擴(kuò)展應(yīng)用時(shí)，功率密度、牢固性、成本、生產(chǎn)周期所引起的不適用則比較明顯。

2.第二代高功率密度ZCS/ZVSDC/DC產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)
為克服“第一代產(chǎn)品”的局限性，VICOR公司以有專利權(quán)的ZCS/ZVS高效、低噪聲、高頻電源適配器變換技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)模塊電源適配器的控制部分、磁體部分及模塊中帶封裝的器件全部重新設(shè)計(jì)，研發(fā)出的“第二代產(chǎn)品”VI—300系列DC/DC變換器的功率密度高達(dá)120W/in3，輸入電壓范圍為180～375VDC;并預(yù)先調(diào)配好9種輸入電壓范圍和9種輸出電壓范圍，必要時(shí)可以用電阻器上調(diào)或下調(diào)輸出電壓;專用型號(hào)可以在4.5～450VDC的任意輸入電壓范圍內(nèi)調(diào)整，并可以在1～100VDC任意輸出電壓范圍內(nèi)調(diào)整，功率較大可以達(dá)到600W，較小為數(shù)瓦。
VI—300系列DC/DC變換器為兩排引出結(jié)構(gòu)，引出端既適用于表面組裝，也可直接插入插座，工作溫度范圍為-55℃～110℃。其他技術(shù)規(guī)范還包括：
①0.1%的滿載/無(wú)負(fù)載調(diào)整率;
②10%～100%的可編程輸出;
③采用有專利權(quán)的低噪聲集成功率器件（IPD），使寄生效應(yīng)降低一個(gè)數(shù)量級(jí);
④IPD被焊在0.5mm厚度的導(dǎo)電、導(dǎo)熱初級(jí)、次級(jí)線圈屏蔽層上，屏蔽層直接插在接地的鋁底板上。
MOSFET芯片至底板的散熱性能也有改進(jìn)，取消了數(shù)層布線加上改用聚酰亞胺薄膜材料，并不再使用法拉第屏蔽，熱通道的縮短有助于減小從結(jié)到底板的熱阻，VI—300的熱阻已從“第一代產(chǎn)品”（VI—220系列）典型的3℃/W減至1.5℃/W。
VI—300系列軟開(kāi)關(guān)DC/DC產(chǎn)品具有的技術(shù)特點(diǎn)如下：
①微型ModelV48C12C154、150WDC/DC模塊，尺寸僅是第一代同類產(chǎn)品的1/3，輸入電壓范圍為36～75VDC，輸出電壓為12VDC。
②小型ModelV48C12C150A400WDC/DC模塊，尺寸比微型的寬1.5倍，輸入電壓為375VDC，輸出電壓為5VDC。
③全型（即全尺寸4.6in×2.2in×0.5in）ModelV375A48C600A600WDC/DC模塊，長(zhǎng)度為小型的兩倍，輸入電壓為375VDC，輸出電壓為48VDC。
以全型外殼尺寸作為比較，“第二代產(chǎn)品”在相同的外殼尺寸下，功率從原來(lái)VI—200的200W提高到了600W，功率密度提高顯著。

3.DC/DC變換器的發(fā)展趨勢(shì)
目前，DC/DC變換器制造商已經(jīng)在高功率密度DC/DC變換器中使用了小型微處理器技術(shù)，可以取代很多模擬電路，減少了模擬元件的數(shù)量，可以取代窗口比較器、檢測(cè)器、鎖存器等完成電源適配器的啟動(dòng)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓鎖定、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)及過(guò)熱保護(hù)等功能。由于這些功能都是依靠改變?cè)谖⒖刂破魃线\(yùn)行的微程序，因此技術(shù)容易保密。此外，改變微控制器的微程序還可以適應(yīng)在同一印制電路板上生產(chǎn)多品種DC/DC變換器的要求，簡(jiǎn)化器材準(zhǔn)備、生產(chǎn)管理等復(fù)雜的工作，由于是數(shù)字化管理，因此保護(hù)功能及控制功能比采用模擬電路要精密得多，并可解決多個(gè)模塊并聯(lián)工作的排序和均流問(wèn)題。
第二代微控制器控制的DC/DC變換器雖然還沒(méi)有將電源適配器進(jìn)行全面的數(shù)字閉環(huán)控制，但是已經(jīng)沒(méi)有PWMIC出現(xiàn)在電路中了。一個(gè)小型MCU參與DC/DC變換器的整個(gè)閉環(huán)控制，但PWM部分仍是模擬控制，采用DSP數(shù)字信號(hào)處理器參與脈寬調(diào)制、較大、較小占空比控制、頻率設(shè)置、降頻升頻控制、輸出電壓的調(diào)節(jié)等工作，以及全部保護(hù)功能的DC/DC變換器已經(jīng)問(wèn)世。

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