了解功率密度–拓扑，控制和电路设计

大家好，欢迎观看“认识功率密度” 系列视频。 在本视频中，我将介绍 与功率密度有关的控制方法、 电路实现和拓扑。 我们已经认识到这样一个事实， 即效率是高功率 密度设计的前提条件。 高效率意味着需要从电源系统中 移除的热量更少， 由此可以减小物理尺寸。 正如我们将要展示的，控制方法和电路实现 在提高和优化功率转换器的效率方面 起着至关重要的作用。 同一拓扑采用不同的控制方法 可以显著提高效率， 减小无源组件尺寸 并在总体上有助于实现高功率密度。 例如，半桥转换器可以使用此处 显示的传统 PWM 序列 作为双端硬开关PWM 转换器运行。 非对称半桥转换器 使用相同数量的组件， 但控制算法不同。 所施加的 D1减去 DPW 端部图案 可得出初级半导体 [INAUDIBLE] 半桥结构的软开关，并减少了输出 电感器两端施加的伏秒积。 仅通过使用不同的控制算法， 我们就将硬开关半桥转换器 变成了高频软开关拓扑， 从而减少开关损耗，提高效率。 同时，输出电感器的 整个伏秒积减少了两倍。 首先，我们应考虑 非对称半桥转换器中 输出电感两端的电压降低，这本身会 降低所需的输出电感值。 另外，由于较高的工作频率， 软开关实现的 潜在较高工作频率进一步降低了 输出电感。 在这两个因素的综合作用下， 输出电感器尺寸会大幅减小， 有可能会显著提高我们的功率密度。 请记住后一个原理，即减少伏秒积 对磁性元件体积的有益影响， 因为我们将在多电平转换器中 使用相同的原理来显著减小变压器 和电感器的尺寸。 最终，可以控制同一初级现场功率级 并将其用作谐振转换器， 该转换器保持初级功率级的 软开关特性，并消除输出 电感器的冲突。 此外，该串联电容器的尺寸也可以减小， 就像转换器一样， 与前两个示例中的大得多的直流 阻断电容相比，该电容器是 一个谐振元件。 这是一种非常受欢迎的 LLC 转换器， 可为许多不同的应用提供无数种高密度 电源转换解决方案。 如本示例所示，控制方法可以 通过减小无源组件的 尺寸和提高效率来直接影响 所获得的功率密度。 在我们讨论一种较新的拓扑之前， 特别是在获得高功率密度方面， 我们先来强调一下控制实现和电路 设计技术中经常被忽视的一个重要方面。 在设计 [INAUDIBLE]电源转换器时， 设计人员必须考虑最坏情况下的 环境条件和参数容差。 因此，功率转换器总是被过度设计。 尽管这是一个重要的事实， 但与我们对功率密度的研究更为相关的是， 了解我们必须提供多少余裕设计 或换句话说，裕量设计。 控制器和增益驱动器的性能可在此时 发挥至关重要的作用。 再次参考我们的半桥示例， 除了硬开关PWM 实现以外， 所有开关都是互补操作的。 这意味着电路中一个半桥开关的 关断事件紧接着 另一个开关的导通事件。 两个器件进行同步需要精确的 时序才能实现。 如果间隙时间太短，我们可能会遇到 [INAUDIBLE] 事件，这对效率非常不利， 或者在严重的情况下可能是灾难性的。 如果间隙时间太长， 则由于在非半导体器件中 第三象限电流流动的效率较低， 电路的效率会降低。 这种现象被称为扩展 PWM [INAUDIBLE] 传导。 此外，时序精度 在确定工作频率变化、最小和最大导通 时间与关断时间计、电路中由于周期钳位 而产生的精度等方面也起着重要作用。 这些时序精度会影响确定电源的 无源组件所需的裕度，其中无源组件包括 磁性元件和电容器。 通常，如果裕度较大，则尺寸会受到影响。 最后，保护等级精度 目前主要满足阈值精度， 并且需要注意相应的传播延迟。 这些参数的容差 对所有电源组件的 所需裕度和最大功率处理能力 具有最深远的影响。 由于冷却要求和最大温升 是在最大可能输出功率，而不是 标称功率水平下确定的，因此 严格的容差可以使温升和散热器 尺寸最小化。 由于散热器会占用 大量的自然对流冷却电源， 因此这些参数对于高功率密度 设计的重要性怎样强调都不为过。 幸运的是，自 20 世纪80 年代初以来， 德州仪器 (TI) 就已经在全球 PWM 控制器市场 发挥了重要作用。 我们数十年的专业知识和 业界出色的技术使我们能够提供 电源管理集成电路和创新拓扑的 所有所需功能。 现在，让我们来看看适用于高功率 密度设计的一些最令人兴奋的拓扑选择。 现在让我们谈谈混合直流/直流转换器。 混合转换器是将基于开关间隙的 分压器网络与电感出色的 PWM 转换器相结合而成。 三级降压转换器就是一个很好的例子， 该转换器将一个二合一开关电容 分压器和一个传统的降压转换器结合在一起。 由于 PWM 调制电压 现在为 Vin、Vin/2 和 0， 因此称为三电平转换器。 由于这种方法可以扩展到最终的 电压分布，因此这些转换器 也称为多电平转换器。 对于三电平转换器而言， 由于飞跨电容 [INAUDIBLE]保持在 Vin/2， 所以 [INAUDIBLE] 也只能是输入电压额定值的一半。 另外，在整个转换范围内， 归一化为规则的降压电感器纹波， 三电平条具有一个脚输出电感器电流。 较低的器件额定值和较低的输出电导 要求有助于提供更高效率的解决方案。 要注意的是，由于部分能量缓冲 意味着输出电感器由一个电容 [INAUDIBLE] 共享， 因此总的无源器件空间占用降低了， 因为电容器比电感具有更高的 能量密度特性。 BQ2519 是一种并联电池充电管理设备， 它是通过三级拓扑实现高功率密度的 一个很好的示例。 具有更高电流的两相版本三电平 转换器多路复用了[INAUDIBLE]，它是 一种串联 [INAUDIBLE]降压转换器 与传统降压转换器相比， 这种电容式转换技术 可实现高效的高频操作， 并极大地减少了无源器件的空间占用， 如 TPS 54820 器件所示。 多级转换器的一种变体， 这里称为开关间隙集成降压或跳跃， 与传统的降压BUS 转换器相比， 具有明显的功率密度优势， 可实现较高的阶跃转换比。 由于降低了磁性器件对能量的 缓冲要求，该转换器具有硬充电间隔， 但在续流间隔内通过单个器件 导通会产生低损耗。 通过复制半桥级、电平转换器 和飞跨电容，该拓扑在电压和功率方面 都很容易扩展。 在跳跃模式下，输出调节非常容易， 因为只有两个独立于电压和功率 等级的开关步骤。 多电平转换器的 这一优势也可以扩展到更高电压应用。 使用 1200V 器件的800 倍 BUS 逆变器 可以被效率更高、空间占用更小的四级 600 倍 GaN 器件取代。 值得注意的是，无论是低压还是高压应用， 混合转换器的实现 都需要一些特殊的辅助电路， 以通过在启动过程中 适当地保持飞跨电容两端的 电压并通过各种操作模式 来监控一些稳压半导体应力。 接下来让我们谈谈直流/直流转换器的开关损耗。 增加转换器的工作频率可减小 无源器件的尺寸，因为这降低了 每秒钟需要存储的能量。 但是，即使在许多高端功率器件 不断改进的情况下， 器件开关损耗仍然是造成 数兆赫兹转换器损耗的重要因素。 在理想的降压转换器情况下， 拉电流输出、开关损耗由高侧 导通期间的半个CX 平方和高侧 关断期间的半个 L寄生 [INAUDIBLE] 平方组成。 然而，实际上，由于开关转换速度 和 [INAUDIBLE] 引起的器件应力之间的折衷， 在高侧 FET 中将存在与 V1 重叠 损耗相关的额外损耗。 例如，在高侧关断的情况下， 通常选择截止速度，使器件振铃保持在 器件击穿限值以下。 这通常会导致明显的Vi 重叠损失。 但是，通过采用适当的设计技术，尽可能地 减小开关损耗并保持器件的稳健性， 人们可以根据负载的函数调节 [INAUDIBLE] 的 降低速度，始终尽可能地 提高器件的控制能力，从而在较低电流下 实现较低的重叠损耗。 或者，可以选择主动或被动方案， 尽可能地提高器件关断速度， 同时通过降低 Vi净重叠损耗来保护器件。 同样，[INAUDIBLE]时间最小化电路 可以帮助降低损耗并与反向恢复 损耗相关联。 更快的转换器控制速度可减少 输出电容的数量，从而减少解决方案的 空间占用。 如果将严格固定的频率控制用于 具有快速负载瞬变的应用中， 则由于其固有的 采样 [INAUDIBLE]，其动态响应要比 任何形式的时间控制恒定的异步控制 方法[INAUDIBLE]差。 对于 COT 控制器， 力矩输出低于参考值，脉冲被触发 并在预定的或自适应的 [INAUDIBLE] 固定时间内跳跃，以减小稳态负载期间的 工作频率变化。 为了避免由于输出电容的电压/电流关系 而引起的诸如双脉冲等调节问题， [INAUDIBLE] 生成电路 模拟了电感器电流纹波， 并用于任何相位连接。 TI 的专有 D-CAP 类、D-CAP 2 和 D-CAP 3 架构建立在自适应导通时间架构上， 可提供出色的负载瞬态性能， 并且具有较小的稳态 [INAUDIBLE].. 让我们简要地谈谈离线应用。 随着笔记本电脑和其他便携式个人电子产品的 体积越来越小，其配套的电源适配器也越来越小。 在 75 瓦以下的应用领域中， 目前，非连续的小型准谐振反激式转换器 是一种常见选择，并且使用同步整流 可以使其效率提高至 90%。 但是它可以在小于 100kHz 的 开关频率下运行。 有源钳位反激式NCF 转换器 以转换模式操作，与准谐振反激式相比 具有明显的优势。 转换模式下的 SCF通过回收泄漏能量， 允许以兆赫频率操作， 显著减少变压器的位置， 从而消除了主衰减开关损耗以及 典型的计划损耗。 为确保峰值性能， SCF 控制器旨在对主开关，无论是 硅基还是 GaN，进行全部和部分 ZVS 检测。 钳位开关导通时间的 自适应自调节功能可调制负磁化电流， 以确保 [INAUDIBLE] 操作是关键特性之一。 因此，自适应幅度调制 和高负载保持 ZVS是 TI SCF 控制器 UCC28780 实现的另一个功能。 在中等功率应用中，将需要对 PFC 前端 和 DCTC 第二级进行创新， 以满足更纤薄外形应用 对更高效率的需求。 这是由一体式PC 游戏笔记本电脑 和超薄高清电视市场推动的。 近年来，随着 600V 宽带隙器件的商业化， 图腾柱无桥 PFC在实现更高效率 PFC 状态设计方面再次引起了人们的关注。 软开关图腾柱可以提供比传统 电桥更高的功率密度，从而增强解决方案性能。 第二级是软开关 LLC 拓扑， 对于 400 [INAUDIBLE]是非常有吸引力的， 因为它能够以非常高的频率进行切换。 由于 GaN 器件 具有较低的器件电容，因此它是逆变器级的 合适选择。 因此，当以兆赫兹频率进行开关时， 大幅减少变压器的体积是可以实现的。 一些重要的设计考虑因素包括 高速电流感应、过零检测 和 ZVS 检测。 LLC 的瞬态响应可受益于 TI 出色的混合[INAUDIBLE] 控制。 概括地说，在本视频中，我们讨论了各种 拓扑控制和电路在实现高功率密度 解决方案中的作用。 这包括降低隔离和非隔离 应用中磁性组件体积的 伏秒积的主题。 控制时序精度的作用，防止过度设计。 通过先进的栅极驱动和保护功能尽可能地 降低开关损耗。 通过快速控制技术减小无源器件输出。 通过采用高压GaN 器件在隔离式 离线应用中实现更好的拓扑。 组合利用这些可满足您的应用 需求的各种方法，可实现出色的高密度 电源转换解决方案。 谢谢观看。