DC/DC變換器技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 (一)

    文中主要介紹DC/DC變換器發(fā)展過程及以下發(fā)展方向，實際工程應(yīng)用可以更好的了解與選用DC/DC變換器。在文章結(jié)束我們也為你介紹了一些世界著名DC/DC開發(fā)制造商的產(chǎn)品特色，以供選用。
    分布式 電源 系統(tǒng)應(yīng)用的普及推廣以及電池供電移動式電子設(shè)備的飛速發(fā)展，其電源系統(tǒng)需用的DC/DC電源模塊越來越多。對其性能要求越來越高。除去常規(guī)電性能指標(biāo)以外，對其體積要求越來越小，也就是對其功率密度的要求越來越高，對轉(zhuǎn)換效率要求也越來越高，也即發(fā)熱越來越少。這樣其平均無故障工作時間才越來越長，可靠性越來越好。因此如何開發(fā)設(shè)計出更高功率密度、更高轉(zhuǎn)換效率、更低成本更高性能的DC/DC轉(zhuǎn)換器始終是近二十年來電力電子技術(shù)工程師追求的目標(biāo)。例如：二十年前Lucent公司開發(fā)出第一個半磚DC/DC時，其輸出功率才30W，效率只有78%。而如今半磚的DC/DC輸出功率已達(dá)到300W，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)93.5%。

    從八十年代末起，工程師們?yōu)榱丝s小DC/DC變換器的體積，提高功率密度，首先從大幅度提高開關(guān)電源的工作頻率做起，但這種努力結(jié)果是大幅度縮小了體積，卻降低了效率。發(fā)熱增多，體積縮小，難過高溫關(guān)。因為當(dāng)時MOSFET的開關(guān)速度還不夠快，大幅提高頻率使MOSFET的開關(guān)損耗驅(qū)動損耗大幅度增加。工程師們開始研究各種避開開關(guān)損耗的軟開關(guān)技術(shù)。雖然技術(shù)模式百花齊放，然而從工程實用角度僅有兩項是開發(fā)成功且一直延續(xù)到現(xiàn)在。一項是VICOR公司的有源箝位ZVS軟開關(guān)技術(shù)；另一項就是九十年代初誕生的全橋移相ZVS軟開關(guān)技術(shù)。

第一代有源箝位技術(shù)：

    有源箝位技術(shù)歷經(jīng)三代，且都申報了專利。第一代系美國VICOR公司的有源箝位ZVS技術(shù)，其專利已經(jīng)于2002年2月到期。VICOR公司利用該技術(shù)，配合磁元件，將DC/DC的工作頻率提高到1MHZ，功率密度接近200W/in3，然而其轉(zhuǎn)換效率卻始終沒有超過90%，主要原因在于MOSFET的損耗不僅有開關(guān)損耗，還有導(dǎo)通損耗和驅(qū)動損耗。特別是驅(qū)動損耗隨工作頻率的上升也大幅度增加，而且因1MHZ頻率之下不易采用同步整流技術(shù)，其效率是無法再提高的。因此，其轉(zhuǎn)換效率始終沒有突破90%大關(guān)。

第二、三代有源箝位技術(shù)：

     了降低第一代有源箝位技術(shù)的成本，IPD公司申報了第二代有源箝位技術(shù)專利。它采用P溝MOSFET在變壓器二次側(cè)用于forward電路拓樸的有源箝位。這使產(chǎn)品成本減低很多。但這種方法形成的MOSFET的零電壓開關(guān)（ZVS）邊界條件較窄，在全工作條件范圍內(nèi)效率的提升不如第一代有源箝位技術(shù)，而且PMOS工作頻率也不理想。為了讓磁能在磁芯復(fù)位時不白白消耗掉，一位美籍華人工程師于2001年申請了第三代有源箝位技術(shù)專利，并獲準(zhǔn)。其特點(diǎn)是在第二代有源箝位的基礎(chǔ)上將磁芯復(fù)位時釋放出的能量轉(zhuǎn)送至負(fù)載。所以實現(xiàn)了更高的轉(zhuǎn)換效率。它共有三個電路方案：其中一個方案可以采用N溝MOSFET。因而工作頻率較高，采用該技術(shù)可以將ZVS軟開關(guān)、同步整流技術(shù)、磁能轉(zhuǎn)換都結(jié)合在一起，因而它實現(xiàn)了高達(dá)92%的效率及250W/in3以上的功率密度（即四分之一磚DC/DC做到250W功率輸出及92%以上的轉(zhuǎn)換效率）。我們給出三代產(chǎn)品的等效電路，讀者可從其細(xì)節(jié)品味各自的特色。有關(guān)有源箝位技術(shù)近年論文論述頗多，此處不多贅述。

    全橋移相ZVS軟開關(guān)技術(shù)，從90年代中期風(fēng)靡大功率及中功率開關(guān)電源領(lǐng)域。該電路拓樸及控制技術(shù)在MOSFET的開關(guān)速度還不太理想時，對DC/DC變換器效率的提升起了很大作用。但是工程師們?yōu)榇烁冻龅拇鷥r也不小。第一個代價是要增加一個諧振電感。它的體積比主變壓器小不了多少（約1/2左右），它也存在損耗，此損耗比輸出濾波電感損耗也小不了太多。第二個代價是丟失了8~10%的占空比，這種占空比的丟失將造成二次側(cè)的整流損耗。所以弄得不好，反而有得不償失的感覺。第三，諧振元件的參數(shù)需經(jīng)過調(diào)試，能適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)用的準(zhǔn)確值的選定是要花費(fèi)較多的時間，試驗成本較高。

    此外，因同步整流給DC/DC效率的提高帶來實惠頗多，而全橋移相對二次側(cè)同步整流的控制效果并不十分理想。例如：第一代PWM ZVS全橋移相控制器，UC3875及UCC3895只控制初級側(cè)。若要提供準(zhǔn)確的控制同步整流的信號需另加邏輯電路。第二代全橋移相PWM控制器如LTC1922-1、LTC3722-1/-2，雖然增加了對二次側(cè)同步整流的控制信號，在做好ZVS軟開關(guān)的同時做好二次側(cè)的同步整流。但仍舊不能十分有效地控制好二次側(cè)的ZVS ZCS同步整流，而這是提高DC/DC變換器效率最有效的措施。UCC3722-1/-2的另一個重大改進(jìn)是減小諧振電感的感量,這不僅縮小了諧振電感的體積,而且降低了損耗,占空比的丟失也減小了許多.這里我們給出LTC3722加上同步整流的控制電路，由業(yè)界工程師們自己去分析對照。

在DC/DC業(yè)界，應(yīng)該說，軟開關(guān)技術(shù)的開發(fā)、試驗、直到用于工程實踐，費(fèi)力不小，但收效卻不是太大�；ㄔ谶@方面的精力和資金還真不如半導(dǎo)體業(yè)界對MOSFET技術(shù)的改進(jìn)。經(jīng)過幾代MOSFET設(shè)計工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，從第一代到第八代。光刻工藝從5μM進(jìn)步到0.5μM。完美晶格的外延層使我們將材料所選擇的電阻率大幅下降。加上進(jìn)一步減薄的晶片。優(yōu)秀的芯片粘結(jié)焊接技術(shù)，使當(dāng)今的MOSFET （例如80V40A）導(dǎo)通電阻降至5mΩ以下，開關(guān)時間已小于20ns，柵電荷僅20nc，而且是在邏輯電平下驅(qū)動即可。在這樣的條件下，同步整流技術(shù)獲得了極好的效果，幾乎使DC/DC的效率提高了將近十個百分點(diǎn)。效率指標(biāo)已經(jīng)普遍進(jìn)入了>90%的范圍。

目前，自偏置同步整流已經(jīng)普遍用于5V以下的低壓小功率輸出。自偏置同步整流用法簡單易行，選擇好MOSFET即告成功。而對于12V以上至20V左右的同步整流則多采用控制驅(qū)動IC，這樣可以收到較好的效果。ST公司的STSR2和STSR3可以很好地用于反激變換電路及正激變換電路。我們給出其參考電路。線性技術(shù)公司的LTC3900和LTC3901則是去年才推出的更優(yōu)秀的同步整流控制IC.采用IC驅(qū)動的同步整流電路中，應(yīng)該說最好的還是業(yè)界于2002年才正式使用的ZVS,ZCS同步整流電路，它將DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率帶上了95%這一歷史性臺階。

ZVS、ZCS同步整流只適用初級側(cè)為對稱型電路拓樸，磁芯可以雙向工作的場合。即推挽、半橋以及全橋硬開關(guān)的電路。二次側(cè)輸出電壓24V以下，輸出電流較大的場合，這時可以獲得最佳的效果。我們知道，對于傳輸同樣功率高壓小電流硬開關(guān)的損耗要比低壓大電流硬開關(guān)時的損耗低很多。我們利用這種性能將PWM的輸出信號經(jīng)過變壓器或高速光耦傳輸至二次側(cè)，適當(dāng)處理其脈寬后，再去驅(qū)動同步整流的MOSFET。讓同步整流的MOSFET在其源漏之間沒有電壓，不流過電流時開啟及關(guān)斷。只要此時同步整流的MOSFET的導(dǎo)通電阻足夠小，柵驅(qū)動電荷足夠小，就能大幅度地提升轉(zhuǎn)換效率。最高的95%的轉(zhuǎn)換效率即是這樣獲得的，業(yè)界將其稱為CoolSet,即冷裝置，不再需要散熱器和風(fēng)扇了。