下一代48V分布式电源架构的电源设计
如果要保留紧凑砖型模式的同时缩减电源尺寸,就会遇到如何处理高功率密度所需的散热问题,如何将所有必要组件集成在有限的空间内等等问题。本文就是介绍针对这一问题所展开的既可以节省空间又能够简化48V分布式电源架构(DPA)应用的前端设计方法。
为了在保留紧凑砖型模式的同时缩减电源尺寸,电源制造商必须降低砖型模块的高度,并(或)尽量将外部的供电元件移至砖型模块内部。但同时采取上述两种做法却给电源设计者带来了诸多挑战,其中包括：如何处理高功率密度所需的散热问题,如何将所有必要组件集成在有限的空间内等等。
为了解决这些挑战,西恩迪技术(C&D)公司电力电子部的工程师们的目标是创造一种600瓦的砖型模块原型,既可以节省空间又能够简化48V分布式电源架构(DPA)应用的前端设计。
碳化硅半导体
通过升压转换器集成满足EN61000-3-2要求的有源PFC是原型设计的一个主要目标。设计的难点在于：为了将模块高度保持在标称半英寸高模块的公差范围内,很明显需要使用的开关频率将大大高于离散PFC阶段通常所具有的开关频率。这意味着,为了让PFC级满足规格要求并且将功耗减至最低,需要复合缓冲电路或一系列肖特基二极管的保护。不幸的是,这两种作法所需要的空间都违背了原型设计的微型化目标。好在设计人员已经找到了一种解决方法,即最新的碳化硅(SiC)半导体技术。
电子工程师们十分熟悉一条自然定律：器件的额定电压越高,其开关速度就越慢。正因为如此,SiC二极管(额定电压为600伏或以上,可轻松的在升压电源电压下工作,而减缓开关速度的电容极小)所呈现的解决方案几乎就像魔术一样解决了大幅度降低热量的难题,以往这些热量需要靠基底和散热片散发。因此,C&D公司选择SiC二极管进行原型设计,利用其在极高频率下工作的能力,为它提供所需要的保护。
低损耗拓扑架构
对热性能的严格要求可以通过在转换器内尽量减少开关损耗得以缓解。全桥式转换器所使用的模块化方法对损耗的产生有重大影响。对这一问题的了解促进了中间总线DC/DC转换器设计的变化,但是直到现在,这些变化还未被应用于AC/DC转换阶段。
传统上,四桥式开关由输出电压控制信号所产生的逻辑信号调制脉宽。原型产品的砖型设计选择了一种稍微不同的技术,如图1所示。这种拓扑结构通过一个恒定占空比来开关主侧面桥开关,允许在几乎零触发电压的情况下进行恒定频率操作(按几乎为最大的占空比运行),因而大大降低了开关损耗。
图1
采用这种拓扑架构可以确保输出电感足够小。在应用于DC/DC中间总线转换器时,使用次级侧面开关调制输出电感器的伏特-秒可以获得闭环调整。但是新的解决方案不需要闭环调整,因为前端的有源PFC将提供足够稳定的380伏输入以产生充分调整的48伏直流电压输出,而无需使用闭环控制。实际上这种输出是“半调整”式的,但这已经足够,因为由AC/DC电源供电的DC/DC转换器本身将进行调整。以这种方式运行全桥开关会导致输出后整流器占空比在90%左右,从而可以极大缩小输出电感器的尺寸。这种方法是可行的,因为在这个设计中关闭时间(在这期间电感器处于运行状态)被降至最低。
平面变压器
作为一种能够解决电源设计者所面临机电问题的有效方法,平面变压器开始被广泛认为。与使用缠绕在传统线轴上的圆截面铜线变压器相比,这些变压器可以做的更为小巧。精密铜引线框或蚀刻绕组可达到的设计规格精度要远远高于绕线变压器的精度。在组装平面变压器时可达到的重复度也更高。蚀刻或压印的铜引线框叠加在通常为高频率的扁平铁氧体磁心中,以生成变压器的磁路。这一薄片状结构也加强了绕组间的磁耦合性,导致低漏电感。表面面积与体积的高比例也使得平面磁性组件成为散热片安装和强制空气制冷的理想选择。因此,使用平面变压器可获得极高的功率密度。
越来越多的DC/DC转换器设计者开始转而采用平面变压器来增强电性能和热性能,以及显著缩小物理尺寸,而这一举措在AC/DC装置中并不常见。但是,随着对带有两个原级和三个次级(且有高度限制)转换器要求的出现,C&D的AC/DC原型应用很明显需要使用平面式结构。
在确认平面式技术是满足高度要求的最恰当技术后,其它可行的选择就包括完全嵌入式变压器、嵌入/独立混合式变压器以及完全离散的独立式变压器。
尽管完全嵌入式变压器空间有效,并且拥有高功率密度和优秀的热性能,但是它们并不适于该应用,因为无法在其结构中加入足够的铜。相反,C&D的原型模块将使用离散的独立平面变压器(见图2)以最大化节省空间,同时满足安全要求并提供最佳的整体实施成本。
图2
集成浪涌控制
原型产品的尺寸限制意味着无法采用传统的限制浪涌的方法。在这种情况下,C&D的工程师进行浪涌控制的方法是在其中的两个输入二极管处使用硅控整流器(SCR),参见图3。这些SCR最初在输入电压即将过零前启用,让短电流脉冲开始为大容量电容充电。在几个循环中,启动点逐渐前移,直到接近电源的峰点。这样就完成了浪涌保护过程。这时,对SCR的启动使它们像普通二极管一样工作,然后允许电路的其它部分启动。
图3
这种作法也提供胜于热敏电阻等方法的保护功能。在经过一段时间的低输入电压下的低负载后,负载的增加可能造成大量电压损耗,导致装置跳闸或无法调整,直至热敏电阻的温度上升。有了SCR设计提供的浪涌保护后,输入电压不再以这种方式下降。使用SCR方法后,仍会发生浪涌现象,但浪涌会降低至可接受的水平。这也有助于保险丝的选择,因为浪涌电流的有效值小于稳态电流。尽管电流脉冲可能会很大(仅受到电源和输入滤波器阻抗的限制),浪涌均方根值(是选择保险丝或断路器时的关键参数)还是完全位于可能会使用的最小装置的性能范围之内。并且,因为这一最新的浪涌控制机制,保险丝可以是高熔断类型中最常见的“F”型（快熔型）。
绝缘金属基板(IMS)
即使假设通过采用提高效率的方式(例如直流/直流转换器常用的方式)可以达到高于平均值的效率,我们的输出率和效率目标也表明原型设计必须在全负载时能够散发高达100瓦的热量。通过以热耦合方式耦合至散热片或其它散热表面,可以有效地将原型产品基板上的热量散去。这里的问题是如何将组件的热量通过印刷电路板转移至基板。特别要注意的是,很明显使用传统的FR4 印刷电路板材料无法满足散热要求。但是另一种选择,绝缘金属基板(IMS)技术(铜箔轨和金属基板间夹有一个薄薄的电介质层,如图4所示)却能提供一种满足散热要求的方法。
图4
关键技术是电介质材料,它必须能够提供良好的导热性和电介质绝缘性。而限制因素是：基板必须提供必要的热性能,而不能让电介质过薄,也不能有过多的填充材料。为了达到这些目标,C&D选择的Thermagon 1KA T-preg IMS所使用的电介质拥有4.0W/mK左右的热导率。基板自身的特性在很大程度上取决于它的尺寸和其它参数,包括金属的厚度和特殊技术的使用(例如可焊散热片、内层和导热孔)。C&D原型产品的最大允许基板温度为行业事实标准100°C(用一个热电偶穿过散热片上的一个小孔与基板中央接触来测量温度)。知道了满足标准砖型模块占位面积所必须的基板最大尺寸后,就可以确定金属的厚度和其它优化技术以满足基板最大允许温度要求。
除热性能外,Thermagon之所以成为一个关键性选择还有另外两个原因。首先,其0.2毫米绝缘材料具备与目标用途相关的UL认证;其次,进行组装的多家印刷电路板生产厂都可使用这一技术,所以可以确保资源的充足性。