利用非隔離總線轉(zhuǎn)換器提高設(shè)計(jì)性能與降低成本

傳統(tǒng)上，在分布式架構(gòu)中，總線轉(zhuǎn)換器提供隔離的中間總線電壓，為系統(tǒng)板上的各種負(fù)載點(diǎn)(POL)穩(wěn)壓器供電。這種架構(gòu)在許多應(yīng)用中很常見，包括ATE，服務(wù)器，電信系統(tǒng)和工業(yè)控制。雖然使用隔離總線轉(zhuǎn)換器有許多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些缺點(diǎn)。除了增加轉(zhuǎn)換器的成本外，用于隔離的高功率變壓器還會(huì)降低轉(zhuǎn)換器的效率和功率密度。更重要的是，多個(gè)低功率轉(zhuǎn)換器通常并聯(lián)以實(shí)現(xiàn)所需的高功率，從而導(dǎo)致更高的成本，更低的效率和功率密度，以及降低的系統(tǒng)可靠性。

然而，有許多應(yīng)用不需要或不需要這種電流隔離的地方。汽車是其中之一，特別是汽車制造商采用48 V電池來(lái)保持足夠的能量。此48 V進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為12 V <小> DC ，為汽車中的多個(gè)電氣系統(tǒng)供電。根據(jù)Vicor的白皮書 “使用新型非隔離總線轉(zhuǎn)換器重新構(gòu)建48 V電源系統(tǒng)”，在此應(yīng)用中無(wú)需隔離。

非隔離總線轉(zhuǎn)換器可以工作的另一個(gè)應(yīng)用是電信。 Vicor公司系統(tǒng)工程總監(jiān)Maurizio Salato表示，傳統(tǒng)的-48 V系統(tǒng)現(xiàn)在已被+48 V總線電壓取代，因此不需要在電池和電子功能之間進(jìn)行隔離。簡(jiǎn)而言之，在許多這些應(yīng)用中，系統(tǒng)電源電壓很好地隔離。結(jié)果，不再需要另一層隔離。用非隔離雙向DC/DC總線轉(zhuǎn)換器代替中間總線轉(zhuǎn)換器可以通過雙向啟動(dòng)和控制以低成本同時(shí)提高效率和密度。

非隔離總線轉(zhuǎn)換器

為了解決這個(gè)問題，Vicor開發(fā)了非隔離，固定轉(zhuǎn)換比的雙向總線轉(zhuǎn)換器模塊(NBM)，采用了新穎的變壓器設(shè)計(jì)和稱為正弦振幅轉(zhuǎn)換器(SAC)的專有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的帶電流隔離的變壓器不同，Vicor的自耦變壓器可降低磁芯損耗并提供更高的轉(zhuǎn)速比。傳統(tǒng)上，總線轉(zhuǎn)換器使用具有4：1轉(zhuǎn)速比的隔離變壓器。在Vicor的非隔離設(shè)計(jì)中，通過正確配置繞組連接將其重新配置為5：1自耦變壓器，如圖1所示。

圖1：相比之下，非隔離自耦變壓器提供更高的轉(zhuǎn)換率。

該設(shè)計(jì)在NBM模塊中使用基于專有變壓器的串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)SAC實(shí)現(xiàn)(圖2)。 SAC以固定頻率工作，該固定頻率等于初級(jí)側(cè)儲(chǔ)能電路的諧振頻率。初級(jí)側(cè)開關(guān)FET鎖定到初級(jí)的固有諧振頻率，并在零交叉時(shí)切換，消除了開關(guān)中的功耗(提高效率)并大大減少了高次諧波的產(chǎn)生(需要較少的濾波)。初級(jí)諧振回路中的電流是純正弦曲線而非準(zhǔn)正弦曲線(如前幾代轉(zhuǎn)換器所示)或方波(在更傳統(tǒng)的硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器中可見)。這有助于大大降低諧波含量，并提供更清晰的輸出噪聲頻譜。最后，根據(jù)Vicor的主要應(yīng)用工程師Doug Ping的說法，“同步降壓轉(zhuǎn)換器等常見的非隔離轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)整其占空比以響應(yīng)輸出負(fù)載的變化。這導(dǎo)致占空比限制。使用SAC拓?fù)涞腘BM產(chǎn)品反應(yīng)通過振幅調(diào)制諧振回路中的正弦電流來(lái)加載負(fù)載，使其能夠在短時(shí)間峰值負(fù)載浪涌的情況下在其額定輸出電流上處理高達(dá)150%的電流。“

圖2：正弦幅度轉(zhuǎn)換器(SAC)是Vicor專有的基于變壓器的串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

典型的高級(jí)框圖采用SAC的NBM如圖3所示。“由于初級(jí)側(cè)電流的一部分在非隔離變壓器設(shè)計(jì)中直接流向次級(jí)，而隔離式變壓器，NBM將具有更高的輸出電流/功率能力，然后采用類似的隔離設(shè)計(jì)，“解釋說。 Ping補(bǔ)充說，輸出電流/功率的增加意味著非隔離變壓器設(shè)計(jì)NBM的成本降低了$/Amp($/Watt)。

NBM的另一個(gè)好處是雙向啟動(dòng)和控制。這意味著NBM可以在正向(降壓方向)或反向(升壓方向)上啟動(dòng)并開始處理功率。例如，對(duì)于K = 1/5 NBM，可以在其輸入側(cè)以48 V施加輸入功率，并且NBM將在其輸出上產(chǎn)生9.6 V.然后，此配置中的功率流將從輸入流向輸出。此外，功率也可以施加到其輸出側(cè)9.6 V，NBM將在其輸入端產(chǎn)生48 V電壓。在這種情況下，NBM將從輸出到輸入反向處理電源。 Vicor公司產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)Jeremy Steddom表示，無(wú)論功率流方向如何，啟用/禁用和溫度監(jiān)控等控制功能都將起作用。

圖3：Vicor非隔離雙向總線轉(zhuǎn)換器模塊(NBM)的高級(jí)框圖。

NBM性能

Per Steddom的解釋，雙向總線轉(zhuǎn)換器的一些優(yōu)點(diǎn)是：

防止在大型負(fù)載突降情況下可能發(fā)生的輸出電壓過沖

再生和/或電池備份應(yīng)用

低電壓到低壓電力傳輸應(yīng)用

在NBM模塊中實(shí)施SAC以及自動(dòng)變壓器技術(shù)，Vicor已準(zhǔn)備好可提供2000 W的NBM6123T60E12A7T0R當(dāng)初級(jí)電壓在36到60 V范圍內(nèi)工作時(shí)，NBM6123封裝的功率為61 x 25.14 x 7.26 mm，峰值效率超過98%(圖4)，具有前所未有的功率d功率密度高達(dá)3532 W/in。 3 。對(duì)于要求K = 1/3的應(yīng)用，制造商已發(fā)布NBM6123T46C15A6T0R，其初級(jí)電壓范圍為36至46 V.

圖4：相比之下，即使外殼溫度很高，非隔離式NBM轉(zhuǎn)換器也能提供更高的效率。此外，功率密度無(wú)與倫比。點(diǎn)擊此處查看完整尺寸的圖像。

根據(jù)Ping的說法，還有其他供應(yīng)商提供可用于NBM應(yīng)用的非隔離轉(zhuǎn)換器(通?；贐uck拓?fù)?。但是，此類產(chǎn)品通常受到監(jiān)管，其效率和輸出功率能力遠(yuǎn)低于Vicor的NBM產(chǎn)品。