功率轉(zhuǎn)換拓樸架構(gòu)重要嗎?

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

雖然市面上有上百種的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，各有不同的設(shè)計和拓樸結(jié)構(gòu)，大體可以歸為兩大類：脈寬調(diào)制式 (PWM) 和準(zhǔn)諧振零電流開關(guān) (ZCS) 兩種。目前，市面上有一種 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，它的功率密度高，成本低及體積細(xì)小，而且有多種輸入、輸出電壓選擇。問題是：功率轉(zhuǎn)換架構(gòu)是關(guān)鍵因素嗎?

對，功率轉(zhuǎn)換拓樸架構(gòu)的確十分重要。

在脈寬調(diào)制式架構(gòu)，輸入電壓開關(guān)頻率是固定的(一般是數(shù)百 kHz)，做成一連串的脈沖，利用調(diào)節(jié)脈沖的寬度來為負(fù)載提供正確的輸出電壓及足夠的電流。滿載時，電流的波形是一個方波 (圖1)。

脈寬調(diào)制式轉(zhuǎn)換器的功率密度是有局限的，因?yàn)樗枰诠ぷ餍屎烷_關(guān)效率間作取舍。問題的核心在于 “開關(guān)損耗” 。開關(guān)元件在瞬時導(dǎo)通和關(guān)斷 (T3是固定的)時，使電感電流產(chǎn)生不連續(xù)性的狀態(tài)，因而產(chǎn)生熱量。由于功耗來自開關(guān)損耗，它會隨著脈寬調(diào)制式轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率增高而增大，直至它變?yōu)橐粋€顯著的耗損成因 (T1 是可變的)，達(dá)到了那一點(diǎn)，效率會迅速減低，開關(guān)元件所承受的熱及機(jī)械應(yīng)力變得無法處理。這種非零電流開關(guān)轉(zhuǎn)換器具有開關(guān)損耗的屬性，變?yōu)?“開關(guān)頻率障礙”，限制了它提升功率密度的能力。

圖1 - 零電流開關(guān)和脈寬調(diào)制式架構(gòu)的電流波形

準(zhǔn)諧振的零電流開關(guān)轉(zhuǎn)換器在零電流的瞬間采用正向開關(guān)，克服了開關(guān)頻率障礙。每個開關(guān)周期傳送等量的“能量包”到轉(zhuǎn)換器的輸出端。每個 “開” 與“關(guān)” 都在零電流的瞬間進(jìn)行，形成一種近于沒有功耗的開關(guān)。零電流開關(guān)轉(zhuǎn)換器的工作頻率可超出 1 MHz。它避免了傳統(tǒng)拓樸結(jié)構(gòu)那不連續(xù)性電流的特性；實(shí)現(xiàn) “無功耗” 的把能量由輸入傳輸至輸出，大大減低傳導(dǎo)和輻射噪聲。

準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器的波形是一半弦波 (圖1)，產(chǎn)生的諧波很小。此外，由于電流的波形沒有尖峰，減少電抗元件的應(yīng)力，減低寄生噪聲。相反，PWM 的沖波形帶尖峰，不單產(chǎn)生開關(guān)頻率的諧波，而且加大電抗元件的應(yīng)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(傳導(dǎo))，及在空氣中傳播(輻射)。采用這類轉(zhuǎn)換器，濾波和屏蔽可能是一個棘手的問題。這要取決于最終系統(tǒng)的噪聲要求。

再者，由于零電流開關(guān)的轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率很高 (因?yàn)殡娍乖珉娙莺痛判栽捏w積很小)，它的功率密度比 PWM 轉(zhuǎn)換器高出1倍。而且，它的效率曲面亦較平坦，從 20% 負(fù)載到滿載的分別不大，而 PWM 轉(zhuǎn)換器的效率在滿載時最高，然后下降。如果應(yīng)用需要動態(tài)負(fù)載，或并不是在滿載工作，這點(diǎn)便要十分注意。

零電流開關(guān)架構(gòu)的其它特性還包括：寬闊的可調(diào)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(yīng)用更容易。

寬闊的可調(diào)輸出電壓為電源工程師提供更多選擇。市面上的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，常見的調(diào)節(jié)范圍是+/-10%，有些轉(zhuǎn)換器的可調(diào)范圍由+20% 至 -50%。Vicor 的 Maxi，Mini 或 Micro 轉(zhuǎn)換器的調(diào)節(jié)范圍是額定電壓的 10% 到 110%。可用固定電阻值、電位器或 DAC 來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。以一個 24V 輸出的轉(zhuǎn)換器為例，它的輸出電壓可調(diào)節(jié)至 12V 或 15V。一個 400W，5V 輸出的轉(zhuǎn)換器可以調(diào)節(jié)為 3.3V、2V 或 1.2V 于 80A 輸出。

Vicor 模塊的 N+M 均流架構(gòu)會自動選出一個模塊作為主導(dǎo)。其它模塊會變?yōu)檩o從，與它同步工作。陣列內(nèi)的模塊在輸入那邊的母線以高速脈沖來通信。可以監(jiān)測脈沖變化來判斷系統(tǒng)的工作情況。如果主導(dǎo)模塊失效，另一個模塊會自動被選為主導(dǎo)，系統(tǒng)仍然繼續(xù)工作，不受影響。由于每個同步脈沖的時距是納秒，模塊可用一個小電容作交流耦合，這個電容可以復(fù)制母線和提供隔離，保證個別干擾或模塊短路不會影響整個系統(tǒng)。

如果上述各項特性，如噪聲、功率密度、平穩(wěn)的效率、輸出電壓調(diào)節(jié)范圍或容錯冗余等都是重要考慮因素，那么，轉(zhuǎn)換器的拓樸架構(gòu)便十分重要。

編輯：博子