高功率密度DC/DC变换器的发展现状

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高功率密度DC/DC变换器的发展现状

随着电力电子技术和计算机技术的迅猛发展，以DC/DC变换器为核心的开关电源和电力操作电源的应用越来越广泛，系统电源适配器需用的DC/DC变换器越来越多，对其性能要求也越来越高，除去常规电性能指标以外，对其体积要求越来越小，也就是对其功率密度的要求越来越高，对转换效率要求也越来越高，发热越来越少，平均无故障工作时间越来越长，可靠性越来越好，因此如何开发设计出更高功率密度、更高转换效率、更低成本、更高性能的DC/DC变换器始终是近20年来电力电子技术工程师追求的目标。通过提高开关变换器的工作频率，可以大大的减小开关变换器的体积，提高功率密度。然而提高开关变换器的工作频率后，开关损耗增加，电磁噪声增大，开关器件的电压或电流应力增加。为了解决提高工作频率所带来的问题，软开关技术被提出。例如，Lucent公司开发出第一个半砖DC/DC时，输出功率才30W，效率只有78%，如今半砖的DC/DC输出功率已达到300W，转换效率高达93.5%。
自20世纪80年代末起，为了缩小DC/DC变换器的体积，提高功率密度，首先从大幅度提高电源适配器的工作频率做起，但这种努力的结果是大幅度减小了体积，却降低了效率，发热增多。因为当时MOSFET的开关速度还不够快，大幅提高频率使MOSFET的开关损耗、驱动损耗大幅度增加，因此开始研究各种避开开关损耗的软开关技术，虽然技术模式多样，但是从工程实用角度仅有两项是开发成功且一直延续到现在的：一项是VICOR公司的有源钳位ZVS软开关技术;另一项就是在20世纪90年代初诞生的全桥移相ZVS软开关技术。
有源钳位技术历经三代。第一代系VICOR公司的有源钳位ZVS技术。VICOR公司利用该技术，配合磁元件，将DC/DC的工作频率提高到1MHz，功率密度接近200W/in3，但转换效率却始终没有超过90%，主要原因在于MOSFET的损耗不仅有开关损耗，还有导通损耗和驱动损耗。特别是驱动损耗，随工作频率的上升也大幅度增加，而且在1MHz频率之下不易采用同步整流技术，使效率无法再提高，因此转换效率始终没有突破90%大关。
为了降低第一代有源钳位技术的成本，IPD公司采用P沟道MOSFET在变压器二次侧用于FORWARD电路拓朴的有源钳位，使产品成本减低很多。但这种方法形成的MOSFET零电压开关（ZVS）边界条件较窄，在全工作条件范围内的效率提升不如第一代有源钳位技术，而且PMOS工作频率也不理想。
为了让磁能在磁心复位时不白白消耗掉，研发了第三代有源钳位技术，其特点是在第二代有源钳位的基础上将磁心复位时释放出的能量转送至负载，实现了更高的转换效率。共有三个电路方案。其中一个电路方案可以采用N沟道MOSFET，工作频率较高，可以将ZVS软开关、同步整流技术、磁能转换都结合在一起，实现了高达92%的效率及250W/in3以上的功率密度，即1/4砖DC/DC做到的250W功率输出及92%以上的转换效率。
电源适配器应用领域仍以PWM型DC/DC产品为主流产品，对电源适配器产品的基本要求是高性能、高可靠、高稳定和实现模块化（可热更换），对高功率密度产品的需求也在明显增加。目前，高功率密度开关式DC/DC在电源适配器总产量中所占的比例见表。
表1高功率密度开关式DC/DC在电源适配器总产量中所占的比例

正是因为电子设备向高性能、高可靠及小型、轻量化发展，所以对高功率密度DC/DC产品有如此大的需求。为使DC/DC变换器满足市场需求，产品的轻、小、薄及高频化（开关频率提高到MHz级）是必然发展趋势。但是高频化却能造成传统的PWMDC/DC变换器功耗加大、效率降低及噪声增加，因此无法达到高频、高效的预期效益。
谐振开关的概念奠定了谐振变换器技术的基础，用零电流谐振开关或零电压谐振开关代替PWM变换器的功率开关可得到一种准谐振变换器。VICOR公司最先使软开关技术实用化，首批推出VI—300系列（指该系列变换器模块额定输入是300V）三种型号的零电流开关高功率密度DC/DC变换器。目前，美国VICOR公司、加拿大北方电信公司、日本的NEMIC-LAMBDA均开发出采用软开关技术的电源适配器产品。中国台湾也有4家厂商从事软开关和谐振技术的开发研究。在我国，原电子部第43所1997年成功通过了“RGF28S05型谐振式DC/DC变换器”的设计定型鉴定。这是中国自己设计制造的第一只采用零电流、“准谐振”软开关正激电路控制的高功率密度谐振式DC/DC变换器。展望21世纪，软开关高功率密度DC/DC变换器无疑将是主流产品。

1.第一代高功率密度PWMDC/DC产品的局限性
如前面所述，VICOR公司首先向市场推出了采用软开关技术的VI—300系列DC/DC变换器，与第一代采用PWM控制技术的VICOR公司的VI—200系列相比，功率密度增大两倍，元器件总数量仅为原来的1/3，达到了低成本、高性能、高功率输出的目的。

近20年，“第一代产品”为电子系统的小型化做出了很大贡献，同时与分立式电源适配器相比也有很多优点，如缩小了体积、缩短了生产周期。因为PWM技术的控制能力强、电路简单、使用方便，所以在世界的电源适配器领域内得到了广泛的应用。
但是“第一代产品”在设计上只在50～200kHz的频率范围内可达到最佳的性能价格比，用高频化实现进一步地缩小体积、增加功率密度已是不大可能了。例如，作为典型的“第一代产品”，VICOR公司VI—200系列的DC/DC变换器已经使用了当代主流电子组装技术：表面组装技术，但是所用的磁体结构未变，仍然是30年来一直沿用的磁罐及在原通信设备中继承下来的结构，即适用信号处理而不适用功率变换，因此不仅影响了功率密度的提高，还增添了噪声，影响了散热。再有，采用TO—220封装的开关器件给组装方案带来不便，易受过量寄生电感、电容的影响，次生了高噪声电平。
“第一代产品”在实际应用中被放宽使用，勉强地满足通信、工业、军用地面装置在高、中范围的电子数据处理（EDP）及可承受用户修改设计的其他方面需求。当向较低档、大批量EDP及商业用设备扩展应用时，功率密度、牢固性、成本、生产周期所引起的不适用则比较明显。

2.第二代高功率密度ZCS/ZVSDC/DC产品的优点
为克服“第一代产品”的局限性，VICOR公司以有专利权的ZCS/ZVS高效、低噪声、高频电源适配器变换技术为基础，对模块电源适配器的控制部分、磁体部分及模块中带封装的器件全部重新设计，研发出的“第二代产品”VI—300系列DC/DC变换器的功率密度高达120W/in3，输入电压范围为180～375VDC;并预先调配好9种输入电压范围和9种输出电压范围，必要时可以用电阻器上调或下调输出电压;专用型号可以在4.5～450VDC的任意输入电压范围内调整，并可以在1～100VDC任意输出电压范围内调整，功率最大可以达到600W，最小为数瓦。
VI—300系列DC/DC变换器为两排引出结构，引出端既适用于表面组装，也可直接插入插座，工作温度范围为-55℃～110℃。其他技术规范还包括：
①0.1%的满载/无负载调整率;
②10%～100%的可编程输出;
③采用有专利权的低噪声集成功率器件（IPD），使寄生效应降低一个数量级;
④IPD被焊在0.5mm厚度的导电、导热初级、次级线圈屏蔽层上，屏蔽层直接插在接地的铝底板上。
MOSFET芯片至底板的散热性能也有改进，取消了数层布线加上改用聚酰亚胺薄膜材料，并不再使用法拉第屏蔽，热通道的缩短有助于减小从结到底板的热阻，VI—300的热阻已从“第一代产品”（VI—220系列）典型的3℃/W减至1.5℃/W。
VI—300系列软开关DC/DC产品具有的技术特点如下：
①微型ModelV48C12C154、150WDC/DC模块，尺寸仅是第一代同类产品的1/3，输入电压范围为36～75VDC，输出电压为12VDC。
②小型ModelV48C12C150A400WDC/DC模块，尺寸比微型的宽1.5倍，输入电压为375VDC，输出电压为5VDC。
③全型（即全尺寸4.6in×2.2in×0.5in）ModelV375A48C600A600WDC/DC模块，长度为小型的两倍，输入电压为375VDC，输出电压为48VDC。
以全型外壳尺寸作为比较，“第二代产品”在相同的外壳尺寸下，功率从原来VI—200的200W提高到了600W，功率密度提高显著。

3.DC/DC变换器的发展趋势
目前，DC/DC变换器制造商已经在高功率密度DC/DC变换器中使用了小型微处理器技术，可以取代很多模拟电路，减少了模拟元件的数量，可以取代窗口比较器、检测器、锁存器等完成电源适配器的启动、过压保护、欠压锁定、过流保护、短路保护及过热保护等功能。由于这些功能都是依靠改变在微控制器上运行的微程序，因此技术容易保密。此外，改变微控制器的微程序还可以适应在同一印制电路板上生产多品种DC/DC变换器的要求，简化器材准备、生产管理等复杂的工作，由于是数字化管理，因此保护功能及控制功能比采用模拟电路要精密得多，并可解决多个模块并联工作的排序和均流问题。
第二代微控制器控制的DC/DC变换器虽然还没有将电源适配器进行全面的数字闭环控制，但是已经没有PWMIC出现在电路中了。一个小型MCU参与DC/DC变换器的整个闭环控制，但PWM部分仍是模拟控制，采用DSP数字信号处理器参与脉宽调制、最大、最小占空比控制、频率设置、降频升频控制、输出电压的调节等工作，以及全部保护功能的DC/DC变换器已经问世。

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| 发布时间：2019.06.19 来源：电源适配器厂家

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