下一代48V分布式電源架構(gòu)的電源設(shè)計(jì)

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題,如何將所有必要組件集成在有限的空間內(nèi)等等問題。本文就是介紹針對(duì)這一問題所展開的既可以節(jié)省空間又能夠簡(jiǎn)化48V分布式電源架構(gòu)(DPA)應(yīng)用的前端設(shè)計(jì)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(nèi)部。但同時(shí)采取上述兩種做法卻給電源設(shè)計(jì)者帶來了諸多挑戰(zhàn),其中包括：如何處理高功率密度所需的散熱問題,如何將所有必要組件集成在有限的空間內(nèi)等等。

    為了解決這些挑戰(zhàn),西恩迪技術(shù)(C&D)公司電力電子部的工程師們的目標(biāo)是創(chuàng)造一種600瓦的磚型模塊原型,既可以節(jié)省空間又能夠簡(jiǎn)化48V分布式電源架構(gòu)(DPA)應(yīng)用的前端設(shè)計(jì)。

    碳化硅半導(dǎo)體

    通過升壓轉(zhuǎn)換器集成滿足EN61000-3-2要求的有源PFC是原型設(shè)計(jì)的一個(gè)主要目標(biāo)。設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于：為了將模塊高度保持在標(biāo)稱半英寸高模塊的公差范圍內(nèi),很明顯需要使用的開關(guān)頻率將大大高于離散PFC階段通常所具有的開關(guān)頻率。這意味著,為了讓PFC級(jí)滿足規(guī)格要求并且將功耗減至最低,需要復(fù)合緩沖電路或一系列肖特基二極管的保護(hù)。不幸的是,這兩種作法所需要的空間都違背了原型設(shè)計(jì)的微型化目標(biāo)。好在設(shè)計(jì)人員已經(jīng)找到了一種解決方法,即最新的碳化硅(SiC)半導(dǎo)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,其開關(guān)速度就越慢。正因?yàn)槿绱?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,而減緩開關(guān)速度的電容極小)所呈現(xiàn)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,C&D公司選擇SiC二極管進(jìn)行原型設(shè)計(jì),利用其在極高頻率下工作的能力,為它提供所需要的保護(hù)。

    低損耗拓?fù)浼軜?gòu)

    對(duì)熱性能的嚴(yán)格要求可以通過在轉(zhuǎn)換器內(nèi)盡量減少開關(guān)損耗得以緩解。全橋式轉(zhuǎn)換器所使用的模塊化方法對(duì)損耗的產(chǎn)生有重大影響。對(duì)這一問題的了解促進(jìn)了中間總線DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的變化,但是直到現(xiàn)在,這些變化還未被應(yīng)用于AC/DC轉(zhuǎn)換階段。

    傳統(tǒng)上,四橋式開關(guān)由輸出電壓控制信號(hào)所產(chǎn)生的邏輯信號(hào)調(diào)制脈寬。原型產(chǎn)品的磚型設(shè)計(jì)選擇了一種稍微不同的技術(shù),如圖1所示。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過一個(gè)恒定占空比來開關(guān)主側(cè)面橋開關(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(yùn)行),因而大大降低了開關(guān)損耗。

                              圖1

    采用這種拓?fù)浼軜?gòu)可以確保輸出電感足夠小。在應(yīng)用于DC/DC中間總線轉(zhuǎn)換器時(shí),使用次級(jí)側(cè)面開關(guān)調(diào)制輸出電感器的伏特-秒可以獲得閉環(huán)調(diào)整。但是新的解決方案不需要閉環(huán)調(diào)整,因?yàn)榍岸说挠性碢FC將提供足夠穩(wěn)定的380伏輸入以產(chǎn)生充分調(diào)整的48伏直流電壓輸出,而無需使用閉環(huán)控制。實(shí)際上這種輸出是“半調(diào)整”式的,但這已經(jīng)足夠,因?yàn)橛葾C/DC電源供電的DC/DC轉(zhuǎn)換器本身將進(jìn)行調(diào)整。以這種方式運(yùn)行全橋開關(guān)會(huì)導(dǎo)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?yàn)樵谶@個(gè)設(shè)計(jì)中關(guān)閉時(shí)間(在這期間電感器處于運(yùn)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(shè)計(jì)者所面臨機(jī)電問題的有效方法,平面變壓器開始被廣泛認(rèn)為。與使用纏繞在傳統(tǒng)線軸上的圓截面銅線變壓器相比,這些變壓器可以做的更為小巧。精密銅引線框或蝕刻繞組可達(dá)到的設(shè)計(jì)規(guī)格精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于繞線變壓器的精度。在組裝平面變壓器時(shí)可達(dá)到的重復(fù)度也更高。蝕刻或壓印的銅引線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(jié)構(gòu)也加強(qiáng)了繞組間的磁耦合性,導(dǎo)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(qiáng)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。

    越來越多的DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)者開始轉(zhuǎn)而采用平面變壓器來增強(qiáng)電性能和熱性能,以及顯著縮小物理尺寸,而這一舉措在AC/DC裝置中并不常見。但是,隨著對(duì)帶有兩個(gè)原級(jí)和三個(gè)次級(jí)(且有高度限制)轉(zhuǎn)換器要求的出現(xiàn),C&D的AC/DC原型應(yīng)用很明顯需要使用平面式結(jié)構(gòu)。

    在確認(rèn)平面式技術(shù)是滿足高度要求的最恰當(dāng)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(dú)立混合式變壓器以及完全離散的獨(dú)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(yīng)用,因?yàn)闊o法在其結(jié)構(gòu)中加入足夠的銅。相反,C&D的原型模塊將使用離散的獨(dú)立平面變壓器(見圖2)以最大化節(jié)省空間,同時(shí)滿足安全要求并提供最佳的整體實(shí)施成本。

   
  
                            圖2[!--empirenews.page--]

    集成浪涌控制

    原型產(chǎn)品的尺寸限制意味著無法采用傳統(tǒng)的限制浪涌的方法。在這種情況下,C&D的工程師進(jìn)行浪涌控制的方法是在其中的兩個(gè)輸入二極管處使用硅控整流器(SCR),參見圖3。這些SCR最初在輸入電壓即將過零前啟用,讓短電流脈沖開始為大容量電容充電。在幾個(gè)循環(huán)中,啟動(dòng)點(diǎn)逐漸前移,直到接近電源的峰點(diǎn)。這樣就完成了浪涌保護(hù)過程。這時(shí),對(duì)SCR的啟動(dòng)使它們像普通二極管一樣工作,然后允許電路的其它部分啟動(dòng)。

    
  
                              圖3

    這種作法也提供勝于熱敏電阻等方法的保護(hù)功能。在經(jīng)過一段時(shí)間的低輸入電壓下的低負(fù)載后,負(fù)載的增加可能造成大量電壓損耗,導(dǎo)致裝置跳閘或無法調(diào)整,直至熱敏電阻的溫度上升。有了SCR設(shè)計(jì)提供的浪涌保護(hù)后,輸入電壓不再以這種方式下降。使用SCR方法后,仍會(huì)發(fā)生浪涌現(xiàn)象,但浪涌會(huì)降低至可接受的水平。這也有助于保險(xiǎn)絲的選擇,因?yàn)槔擞侩娏鞯挠行е敌∮诜€(wěn)態(tài)電流。盡管電流脈沖可能會(huì)很大(僅受到電源和輸入濾波器阻抗的限制),浪涌均方根值(是選擇保險(xiǎn)絲或斷路器時(shí)的關(guān)鍵參數(shù))還是完全位于可能會(huì)使用的最小裝置的性能范圍之內(nèi)。并且,因?yàn)檫@一最新的浪涌控制機(jī)制,保險(xiǎn)絲可以是高熔斷類型中最常見的“F”型（快熔型）。

    絕緣金屬基板(IMS)

    即使假設(shè)通過采用提高效率的方式(例如直流/直流轉(zhuǎn)換器常用的方式)可以達(dá)到高于平均值的效率,我們的輸出率和效率目標(biāo)也表明原型設(shè)計(jì)必須在全負(fù)載時(shí)能夠散發(fā)高達(dá)100瓦的熱量。通過以熱耦合方式耦合至散熱片或其它散熱表面,可以有效地將原型產(chǎn)品基板上的熱量散去。這里的問題是如何將組件的熱量通過印刷電路板轉(zhuǎn)移至基板。特別要注意的是,很明顯使用傳統(tǒng)的FR4 印刷電路板材料無法滿足散熱要求。但是另一種選擇,絕緣金屬基板(IMS)技術(shù)(銅箔軌和金屬基板間夾有一個(gè)薄薄的電介質(zhì)層,如圖4所示)卻能提供一種滿足散熱要求的方法。

                             圖4

    關(guān)鍵技術(shù)是電介質(zhì)材料,它必須能夠提供良好的導(dǎo)熱性和電介質(zhì)絕緣性。而限制因素是：基板必須提供必要的熱性能,而不能讓電介質(zhì)過薄,也不能有過多的填充材料。為了達(dá)到這些目標(biāo),C&D選擇的Thermagon 1KA T-preg IMS所使用的電介質(zhì)擁有4.0W/mK左右的熱導(dǎo)率?；遄陨淼奶匦栽诤艽蟪潭壬先Q于它的尺寸和其它參數(shù),包括金屬的厚度和特殊技術(shù)的使用(例如可焊散熱片、內(nèi)層和導(dǎo)熱孔)。C&D原型產(chǎn)品的最大允許基板溫度為行業(yè)事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)100°C(用一個(gè)熱電偶穿過散熱片上的一個(gè)小孔與基板中央接觸來測(cè)量溫度)。知道了滿足標(biāo)準(zhǔn)磚型模塊占位面積所必須的基板最大尺寸后,就可以確定金屬的厚度和其它優(yōu)化技術(shù)以滿足基板最大允許溫度要求。

    除熱性能外,Thermagon之所以成為一個(gè)關(guān)鍵性選擇還有另外兩個(gè)原因。首先,其0.2毫米絕緣材料具備與目標(biāo)用途相關(guān)的UL認(rèn)證;其次,進(jìn)行組裝的多家印刷電路板生產(chǎn)廠都可使用這一技術(shù),所以可以確保資源的充足性。