利用非隔離總線轉(zhuǎn)換器提高設(shè)計性能與降低成本

傳統(tǒng)上，在分布式架構(gòu)中，總線轉(zhuǎn)換器提供隔離的中間總線電壓，為系統(tǒng)板上的各種負載點（POL）穩(wěn)壓器供電。這種架構(gòu)在許多應(yīng)用中很常見，包括ATE，服務(wù)器，電信系統(tǒng)和工業(yè)控制。雖然使用隔離總線轉(zhuǎn)換器有許多優(yōu)點，但也存在一些缺點。除了增加轉(zhuǎn)換器的成本外，用于隔離的高功率變壓器還會降低轉(zhuǎn)換器的效率和功率密度。更重要的是，多個低功率轉(zhuǎn)換器通常并聯(lián)以實現(xiàn)所需的高功率，從而導(dǎo)致更高的成本，更低的效率和功率密度，以及降低的系統(tǒng)可靠性。

然而，有許多應(yīng)用不需要或不需要這種電流隔離的地方。汽車是其中之一，特別是汽車制造商采用48 V電池來保持足夠的能量。此48 V進一步轉(zhuǎn)換為12 V <小> DC ，為汽車中的多個電氣系統(tǒng)供電。根據(jù)Vicor的白皮書“使用新型非隔離總線轉(zhuǎn)換器重新構(gòu)建48 V電源系統(tǒng)”，在此應(yīng)用中無需隔離。

非隔離總線轉(zhuǎn)換器可以工作的另一個應(yīng)用是電信。 Vicor公司系統(tǒng)工程總監(jiān)Maurizio Salato表示，傳統(tǒng)的-48 V系統(tǒng)現(xiàn)在已被+48 V總線電壓取代，因此不需要在電池和電子功能之間進行隔離。簡而言之，在許多這些應(yīng)用中，系統(tǒng)電源電壓很好地隔離。結(jié)果，不再需要另一層隔離。用非隔離雙向DC/DC總線轉(zhuǎn)換器代替中間總線轉(zhuǎn)換器可以通過雙向啟動和控制以低成本同時提高效率和密度。

非隔離總線轉(zhuǎn)換器

為了解決這個問題，Vicor開發(fā)了非隔離，固定轉(zhuǎn)換比的雙向總線轉(zhuǎn)換器模塊（NBM），采用了新穎的變壓器設(shè)計和稱為正弦振幅轉(zhuǎn)換器（SAC）的專有拓撲結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的帶電流隔離的變壓器不同，Vicor的自耦變壓器可降低磁芯損耗并提供更高的轉(zhuǎn)速比。傳統(tǒng)上，總線轉(zhuǎn)換器使用具有4：1轉(zhuǎn)速比的隔離變壓器。在Vicor的非隔離設(shè)計中，通過正確配置繞組連接將其重新配置為5：1自耦變壓器，如圖1所示。

圖1：相比之下，非隔離自耦變壓器提供更高的轉(zhuǎn)換率。

該設(shè)計在NBM模塊中使用基于專有變壓器的串聯(lián)諧振拓撲結(jié)構(gòu)SAC實現(xiàn)（圖2）。 SAC以固定頻率工作，該固定頻率等于初級側(cè)儲能電路的諧振頻率。初級側(cè)開關(guān)FET鎖定到初級的固有諧振頻率，并在零交叉時切換，消除了開關(guān)中的功耗（提高效率）并大大減少了高次諧波的產(chǎn)生（需要較少的濾波）。初級諧振回路中的電流是純正弦曲線而非準正弦曲線（如前幾代轉(zhuǎn)換器所示）或方波（在更傳統(tǒng)的硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器中可見）。這有助于大大降低諧波含量，并提供更清晰的輸出噪聲頻譜。最后，根據(jù)Vicor的主要應(yīng)用工程師Doug Ping的說法，“同步降壓轉(zhuǎn)換器等常見的非隔離轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)調(diào)整其占空比以響應(yīng)輸出負載的變化。這導(dǎo)致占空比限制。使用SAC拓撲的NBM產(chǎn)品反應(yīng)通過振幅調(diào)制諧振回路中的正弦電流來加載負載，使其能夠在短時間峰值負載浪涌的情況下在其額定輸出電流上處理高達150％的電流?！?/p>

圖2：正弦幅度轉(zhuǎn)換器（SAC）是Vicor專有的基于變壓器的串聯(lián)諧振拓撲結(jié)構(gòu)。

典型的高級框圖采用SAC的NBM如圖3所示?！坝捎诔跫墏?cè)電流的一部分在非隔離變壓器設(shè)計中直接流向次級，而隔離式變壓器，NBM將具有更高的輸出電流/功率能力，然后采用類似的隔離設(shè)計，“解釋說。 Ping補充說，輸出電流/功率的增加意味著非隔離變壓器設(shè)計NBM的成本降低了$/Amp（$/Watt）。

NBM的另一個好處是雙向啟動和控制。這意味著NBM可以在正向（降壓方向）或反向（升壓方向）上啟動并開始處理功率。例如，對于K = 1/5 NBM，可以在其輸入側(cè)以48 V施加輸入功率，并且NBM將在其輸出上產(chǎn)生9.6 V.然后，此配置中的功率流將從輸入流向輸出。此外，功率也可以施加到其輸出側(cè)9.6 V，NBM將在其輸入端產(chǎn)生48 V電壓。在這種情況下，NBM將從輸出到輸入反向處理電源。 Vicor公司產(chǎn)品營銷總監(jiān)Jeremy Steddom表示，無論功率流方向如何，啟用/禁用和溫度監(jiān)控等控制功能都將起作用。

圖3：Vicor非隔離雙向總線轉(zhuǎn)換器模塊（NBM）的高級框圖。

NBM性能

Per Steddom的解釋，雙向總線轉(zhuǎn)換器的一些優(yōu)點是：

防止在大型負載突降情況下可能發(fā)生的輸出電壓過沖

再生和/或電池備份應(yīng)用

低電壓到低壓電力傳輸應(yīng)用

在NBM模塊中實施SAC以及自動變壓器技術(shù)，Vicor已準備好可提供2000 W的NBM6123T60E12A7T0R當初級電壓在36到60 V范圍內(nèi)工作時，NBM6123封裝的功率為61 x 25.14 x 7.26 mm，峰值效率超過98％（圖4），具有前所未有的功率d功率密度高達3532 W/in。 3 。對于要求K = 1/3的應(yīng)用，制造商已發(fā)布NBM6123T46C15A6T0R，其初級電壓范圍為36至46 V.

圖4：相比之下，即使外殼溫度很高，非隔離式NBM轉(zhuǎn)換器也能提供更高的效率。此外，功率密度無與倫比。點擊此處查看完整尺寸的圖像。

根據(jù)Ping的說法，還有其他供應(yīng)商提供可用于NBM應(yīng)用的非隔離轉(zhuǎn)換器（通?；贐uck拓撲）。但是，此類產(chǎn)品通常受到監(jiān)管，其效率和輸出功率能力遠低于Vicor的NBM產(chǎn)品。