DC/DC變換器技術(shù)現狀及發(fā)展趨勢 (一)

    文中主要介紹DC/DC變換器發(fā)展過(guò)程及以下發(fā)展方向，實(shí)際工程應用可以更好的了解與選用DC/DC變換器。在文章結束我們也為你介紹了一些世界著(zhù)名DC/DC開(kāi)發(fā)制造商的產(chǎn)品特色，以供選用。
    分布式 電源 系統應用的普及推廣以及電池供電移動(dòng)式電子設備的飛速發(fā)展，其電源系統需用的DC/DC電源模塊越來(lái)越多。對其性能要求越來(lái)越高。除去常規電性能指標以外，對其體積要求越來(lái)越小，也就是對其功率密度的要求越來(lái)越高，對轉換效率要求也越來(lái)越高，也即發(fā)熱越來(lái)越少。這樣其平均無(wú)故障工作時(shí)間才越來(lái)越長(cháng)，可靠性越來(lái)越好。因此如何開(kāi)發(fā)設計出更高功率密度、更高轉換效率、更低成本更高性能的DC/DC轉換器始終是近二十年來(lái)電力電子技術(shù)工程師追求的目標。例如：二十年前Lucent公司開(kāi)發(fā)出第一個(gè)半磚DC/DC時(shí)，其輸出功率才30W，效率只有78%。而如今半磚的DC/DC輸出功率已達到300W，轉換效率高達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(kāi)關(guān)電源的工作頻率做起，但這種努力結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(guò)高溫關(guān)。因為當時(shí)MOSFET的開(kāi)關(guān)速度還不夠快，大幅提高頻率使MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗驅動(dòng)損耗大幅度增加。工程師們開(kāi)始研究各種避開(kāi)開(kāi)關(guān)損耗的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。雖然技術(shù)模式百花齊放，然而從工程實(shí)用角度僅有兩項是開(kāi)發(fā)成功且一直延續到現在。一項是VICOR公司的有源箝位ZVS軟開(kāi)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(kāi)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(zhuān)利。第一代系美國VICOR公司的有源箝位ZVS技術(shù)，其專(zhuān)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，然而其轉換效率卻始終沒(méi)有超過(guò)90%，主要原因在于MOSFET的損耗不僅有開(kāi)關(guān)損耗，還有導通損耗和驅動(dòng)損耗。特別是驅動(dòng)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(wú)法再提高的。因此，其轉換效率始終沒(méi)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(zhuān)利。它采用P溝MOSFET在變壓器二次側用于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(kāi)關(guān)（ZVS）邊界條件較窄，在全工作條件范圍內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位時(shí)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(zhuān)利，并獲準。其特點(diǎn)是在第二代有源箝位的基礎上將磁芯復位時(shí)釋放出的能量轉送至負載。所以實(shí)現了更高的轉換效率。它共有三個(gè)電路方案：其中一個(gè)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(kāi)關(guān)、同步整流技術(shù)、磁能轉換都結合在一起，因而它實(shí)現了高達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%以上的轉換效率）。我們給出三代產(chǎn)品的等效電路，讀者可從其細節品味各自的特色。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(kāi)關(guān)技術(shù)，從90年代中期風(fēng)靡大功率及中功率開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域。該電路拓樸及控制技術(shù)在MOSFET的開(kāi)關(guān)速度還不太理想時(shí)，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(jià)也不小。第一個(gè)代價(jià)是要增加一個(gè)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(gè)代價(jià)是丟失了8~10%的占空比，這種占空比的丟失將造成二次側的整流損耗。所以弄得不好，反而有得不償失的感覺(jué)。第三，諧振元件的參數需經(jīng)過(guò)調試，能適應工業(yè)生產(chǎn)用的準確值的選定是要花費較多的時(shí)間，試驗成本較高。

    此外，因同步整流給DC/DC效率的提高帶來(lái)實(shí)惠頗多，而全橋移相對二次側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。若要提供準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同步整流的控制信號，在做好ZVS軟開(kāi)關(guān)的同時(shí)做好二次側的同步整流。但仍舊不能十分有效地控制好二次側的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(gè)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，應該說(shuō)，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)、試驗、直到用于工程實(shí)踐，費力不小，但收效卻不是太大�；ㄔ谶@方面的精力和資金還真不如半導體業(yè)界對MOSFET技術(shù)的改進(jìn)。經(jīng)過(guò)幾代MOSFET設計工業(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)秀的芯片粘結焊接技術(shù)，使當今的MOSFET （例如80V40A）導通電阻降至5mΩ以下，開(kāi)關(guān)時(shí)間已小于20ns，柵電荷僅20nc，而且是在邏輯電平下驅動(dòng)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(gè)百分點(diǎn)。效率指標已經(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(jiǎn)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動(dòng)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(xiàn)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驅動(dòng)的同步整流電路中，應該說(shuō)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為對稱(chēng)型電路拓樸，磁芯可以雙向工作的場(chǎng)合。即推挽、半橋以及全橋硬開(kāi)關(guān)的電路。二次側輸出電壓24V以下，輸出電流較大的場(chǎng)合，這時(shí)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(kāi)關(guān)的損耗要比低壓大電流硬開(kāi)關(guān)時(shí)的損耗低很多。我們利用這種性能將PWM的輸出信號經(jīng)過(guò)變壓器或高速光耦傳輸至二次側，適當處理其脈寬后，再去驅動(dòng)同步整流的MOSFET。讓同步整流的MOSFET在其源漏之間沒(méi)有電壓，不流過(guò)電流時(shí)開(kāi)啟及關(guān)斷。只要此時(shí)同步整流的MOSFET的導通電阻足夠小，柵驅動(dòng)電荷足夠小，就能大幅度地提升轉換效率。最高的95%的轉換效率即是這樣獲得的，業(yè)界將其稱(chēng)為CoolSet,即冷裝置，不再需要散熱器和風(fēng)扇了。