高效率和超宽输入电压范围DC-DC变换器的设计方法

高效率和超宽输入电压范围DC-DC变换器的设计方法

一个隔离DC/DC变换器的参数之一是该变换器能够正常工作的输入电压范围。对于那些应用于48V输入电信市场的工业标准砖型产品，其输入电压范围通常是36V~75V，或输入电压的最高值和最低值之比为2:1。但是有很多的应用期望变换器能够处理更宽的输入电压范围。比如，在一些系统应用中分布式输入电压具有很大的瞬态和浪涌，而且持续时间很长，需要滤波器滤掉。

作为一个例子，表1显示在不同铁路系统标准中分布式电压的稳态和瞬态范围。军用车辆设计规范也需要类似的宽输入电压范围，这样可以满足其分布式电压的变化。使用宽输入电压范围DC/DC变换器的另外一个原因是建立一个可以被用于不同直流系统的“通用”产品，对于标称值为12V, 24V和48V的电池系统，一般需要提供三个不同的输入电压版本，作为替代，一个能够在9V到75V工作的变换器提供了单一解决方案。这种单一方案可以节省生产成本和降低库存。

表1：几种铁路标准中输入电压范围的规范要求。

尽管人们期望有一款宽输入变换器，但存在一个主要问题：在传统产品中，模块工作的输入电压范围越宽，变换器的性能越差。一般来讲，在给定的尺寸，比如1/4砖，变换器的效率和能够处理的功率会随输入电压范围变宽而降低。这是一种自然结果，因为在设计最高输入电压的同时，还必须处理在输入电压最低时所带来的非常大的输入电流。对于2:1输入范围的变化器，其最大输入电压和最大输入电流的积是需要处理功率的两倍，这种结果作为一个合理的折中是可以接受的。但是，当一个变换器设计用来处理8:1输入范围时，其最大输入电压和最大输入电流的积是需要处理功率的8倍，这种结果是非常极端的。对与变换器隔离变压器相关的功率电路来讲是非常严重的。

由于上述的限制，在商业上没有很多DC/DC变换器能够处理很宽的输入电压范围，但少数“超宽”4:1输入的变换器在给定的物理尺寸下典型处理不到1/2的功率，这是与只有2:1输入电压输入范围的变换器在相同尺寸下所处理的功率相比。另外，宽输入变换器的转换效率一般比2:1输入变换器低10%-25%。

在宽输入范围变换器中减少这种损失的一种方法是将变换器的调整功能从其隔离功能中分离出来，如图1所示。在此图中，变换器的第一级是非隔离降压变换器，同时通过改变占空比进行电压调整功能。变换器的第二级提供没有任何电压调整的电气隔离功能，而且一般还可以根据变压器的变比进行进一步的降压。这就是SynQor作为高效DC/DC变换器的领先者如何设计其所有的产品。

图1：SynQor两级DC/DC变换器拓扑，其中非隔离调整级在非调整隔离级之前。

这种两级设计的优势是只有第一级看到了输入电压的宽范围。当宽输入电压带来的损失必须要这个第一级承担时，但这种损失并不严重，因为第一级不需要隔离变压器。对于含有变压器的隔离级，则无需面对宽输入电压范围。在这种两级设计中，其输入电压作为两级方案中的中间总线电压一直是不变的。这就允许隔离级被优化为单一工作条件，而且使得隔离级非常容易实现基于同步整流的设计，这种同步整流设计可以极大地降低功耗。在隔离级效率地提升弥补在调整级发生的任何附加损失都大有帮助。

图2：SynQor半砖新产品系列IQ64，坚固耐用，输入电压范围高达8:1。

图2显示了SynQor新系列产品IQ64系列8:1超宽输入半砖DC/DC变换器。表2显示了SynQor新系列产品的不同输入电压范围。从表中可以看出，除了正常的2:1 输入范围，还有4:1 输入范围的产品，甚至8:1输入范围的产品。对于3.3V输出电压的最大功率等级和典型效率也显示在此表中。尽管随着输入电压范围变宽，其功率等级和效率存在一些降低，但是并不非常明显。这就是两级拓扑方案对功率电路设计的结果。

除了能够满足不同输入电压范围的需求，SynQor工业级DC/DC变换器InQor系列是全密封设计，非常坚固，能够应用于苛刻的环境，而这种环境时常伴随着有如此挑战性技术要求的系统。

表2：SynQor新工业级产品InQor系列，其功率等级和效率是标称输入电压和输入电压范围的函数。