下一代48V分布式電源架構的電源設計

如果要保留緊湊磚型模式的同時縮減電源尺寸,就會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等等問題。本文就是介紹針對這一問題所展開的既可以節(jié)省空間又能夠簡化48V分布式電源架構(DPA)應用的前端設計方法。

　　為了在保留緊湊磚型模式的同時縮減電源尺寸,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部。但同時采取上述兩種做法卻給電源設計者帶來了諸多挑戰(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等等。

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

碳化硅半導體

通過升壓轉換器集成滿足EN61000-3-2要求的有源PFC是原型設計的一個主要目標。設計的難點在于：為了將模塊高度保持在標稱半英寸高模塊的公差范圍內,很明顯需要使用的開關頻率將大大高于離散PFC階段通常所具有的開關頻率。這意味著,為了讓PFC級滿足規(guī)格要求并且將功耗減至最低,需要復合緩沖電路或一系列肖特基二極管的保護。不幸的是,這兩種作法所需要的空間都違背了原型設計的微型化目標。好在設計人員已經找到了一種解決方法,即最新的碳化硅(SiC)半導體技術。

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,其開關速度就越慢。正因為如此,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,而減緩開關速度的電容極小)所呈現的解決方案幾乎就像魔術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二極管進行原型設計,利用其在極高頻率下工作的能力,為它提供所需要的保護。

低損耗拓撲架構

對熱性能的嚴格要求可以通過在轉換器內盡量減少開關損耗得以緩解。全橋式轉換器所使用的模塊化方法對損耗的產生有重大影響。對這一問題的了解促進了中間總線DC/DC轉換器設計的變化,但是直到現在,這些變化還未被應用于AC/DC轉換階段。

傳統(tǒng)上,四橋式開關由輸出電壓控制信號所產生的邏輯信號調制脈寬。原型產品的磚型設計選擇了一種稍微不同的技術,如圖1所示。這種拓撲結構通過一個恒定占空比來開關主側面橋開關,允許在幾乎零觸發(fā)電壓的情況下進行恒定頻率操作(按幾乎為最大的占空比運行),因而大大降低了開關損耗。

圖1

采用這種拓撲架構可以確保輸出電感足夠小。在應用于DC/DC中間總線轉換器時,使用次級側面開關調制輸出電感器的伏特-秒可以獲得閉環(huán)調整。但是新的解決方案不需要閉環(huán)調整,因為前端的有源PFC將提供足夠穩(wěn)定的380伏輸入以產生充分調整的48伏直流電壓輸出,而無需使用閉環(huán)控制。實際上這種輸出是“半調整”式的,但這已經足夠,因為由AC/DC電源供電的DC/DC轉換器本身將進行調整。以這種方式運行全橋開關會導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,因為在這個設計中關閉時間(在這期間電感器處于運行狀態(tài))被降至最低。

平面變壓器

作為一種能夠解決電源設計者所面臨機電問題的有效方法,平面變壓器開始被廣泛認為。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到的設計規(guī)格精度要遠遠高于繞線變壓器的精度。在組裝平面變壓器時可達到的重復度也更高。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。這一薄片狀結構也加強了繞組間的磁耦合性,導致低漏電感。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轉換器設計者開始轉而采用平面變壓器來增強電性能和熱性能,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,隨著對帶有兩個原級和三個次級(且有高度限制)轉換器要求的出現,C&D的AC/DC原型應用很明顯需要使用平面式結構。

在確認平面式技術是滿足高度要求的最恰當技術后,其它可行的選擇就包括完全嵌入式變壓器、嵌入/獨立混合式變壓器以及完全離散的獨立式變壓器。

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用,因為無法在其結構中加入足夠的銅。相反,C&D的原型模塊將使用離散的獨立平面變壓器(見圖2)以最大化節(jié)省空間,同時滿足安全要求并提供最佳的整體實施成本。

圖2

集成浪涌控制

原型產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的工程師進行浪涌控制的方法是在其中的兩個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。在幾個循環(huán)中,啟動點逐漸前移,直到接近電源的峰點。這樣就完成了浪涌保護過程。這時,對SCR的啟動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。

圖3

這種作法也提供勝于熱敏電阻等方法的保護功能。在經過一段時間的低輸入電壓下的低負載后,負載的增加可能造成大量電壓損耗,導致裝置跳閘或無法調整,直至熱敏電阻的溫度上升。有了SCR設計提供的浪涌保護后,輸入電壓不再以這種方式下降。使用SCR方法后,仍會發(fā)生浪涌現象,但浪涌會降低至可接受的水平。這也有助于保險絲的選擇,因為浪涌電流的有效值小于穩(wěn)態(tài)電流。盡管電流脈沖可能會很大(僅受到電源和輸入濾波器阻抗的限制),浪涌均方根值(是選擇保險絲或斷路器時的關鍵參數)還是完全位于可能會使用的最小裝置的性能范圍之內。并且,因為這一最新的浪涌控制機制,保險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)

即使假設通過采用提高效率的方式(例如直流/直流轉換器常用的方式)可以達到高于平均值的效率,我們的輸出率和效率目標也表明原型設計必須在全負載時能夠散發(fā)高達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(銅箔軌和金屬基板間夾有一個薄薄的電介質層,如圖4所示)卻能提供一種滿足散熱要求的方法。

圖4

關鍵技術是電介質材料,它必須能夠提供良好的導熱性和電介質絕緣性。而限制因素是：基板必須提供必要的熱性能,而不能讓電介質過薄,也不能有過多的填充材料。為了達到這些目標,C&D選擇的Thermagon 1KA T-preg IMS所使用的電介質擁有4.0W/mK左右的熱導率?；遄陨淼奶匦栽诤艽蟪潭壬先Q于它的尺寸和其它參數,包括金屬的厚度和特殊技術的使用(例如可焊散熱片、內層和導熱孔)。C&D原型產品的最大允許基板溫度為行業(yè)事實標準100°C(用一個熱電偶穿過散熱片上的一個小孔與基板中央接觸來測量溫度)。知道了滿足標準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之所以成為一個關鍵性選擇還有另外兩個原因。首先,其0.2毫米絕緣材料具備與目標用途相關的UL認證;其次,進行組裝的多家印刷電路板生產廠都可使用這一技術,所以可以確保資源的充足性。