淺談Vicor 非隔離式雙向總線轉(zhuǎn)換器模塊

　　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(fù)載點(diǎn) （POL） 穩(wěn)壓器供電。這種架構(gòu)在許多應(yīng)用中都很常見(jiàn)，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)換器有很多優(yōu)點(diǎn)，但也有一些缺點(diǎn)。除了增加轉(zhuǎn)換器的成本外，用于隔離的大功率變壓器還會(huì)降低轉(zhuǎn)換器的效率和功率密度。更重要的是，通常將多個(gè)低功率轉(zhuǎn)換器并聯(lián)以實(shí)現(xiàn)所需的高功率，從而導(dǎo)致成本更高、效率和功率密度更低，以及系統(tǒng)可靠性降低。

　　然而，有許多應(yīng)用不需要或不需要這種電流隔離。汽車(chē)就是其中之一，特別是在汽車(chē)制造商采用 48 V 電池來(lái)保持足夠能量的情況下。這 48 V 進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為 12 V DC，為汽車(chē)中的多個(gè)電氣系統(tǒng)供電。根據(jù)Vicor 的白皮書(shū)［1］ “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)”，此應(yīng)用中不需要隔離。

　　非隔離總線轉(zhuǎn)換器可以工作的另一個(gè)應(yīng)用是電信。Vicor 系統(tǒng)工程總監(jiān) Maurizio Salato 說(shuō)，隨著傳統(tǒng)的 -48 V 系統(tǒng)現(xiàn)在被 +48 V 總線電壓取代，在這個(gè)應(yīng)用中，電池和電子功能之間不需要隔離。紙。

　　簡(jiǎn)而言之，在許多這些應(yīng)用中，系統(tǒng)源電壓都被很好地隔離了。因此，不需要另一層隔離。用非隔離式雙向 DC/DC 總線轉(zhuǎn)換器代替中間總線轉(zhuǎn)換器可以同時(shí)通過(guò)雙向啟動(dòng)和控制以低成本提高效率和密度。

　　非隔離總線轉(zhuǎn)換器

　　為了解決這個(gè)問(wèn)題，Vicor 開(kāi)發(fā)了非隔離、固定轉(zhuǎn)換比的雙向總線轉(zhuǎn)換器模塊 （NBM），該模塊采用新穎的變壓器設(shè)計(jì)和稱(chēng)為正弦振幅轉(zhuǎn)換器 （SAC） 的專(zhuān)有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與具有電流隔離的傳統(tǒng)變壓器不同，Vicor 的自耦變壓器減少了磁芯損耗并提供了更高的匝數(shù)比。傳統(tǒng)上，總線轉(zhuǎn)換器使用匝數(shù)比為 4:1 的隔離變壓器。在 Vicor 的非隔離式設(shè)計(jì)中，通過(guò)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，非隔離式自耦變壓器提供更高的轉(zhuǎn)換率。

　　該設(shè)計(jì)使用專(zhuān)有的基于變壓器的串聯(lián)諧振拓?fù)?SAC 在 NBM 模塊中實(shí)現(xiàn)（圖 2）。SAC 以固定頻率工作，該頻率等于初級(jí)側(cè)儲(chǔ)能電路的諧振頻率。初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān) FET 被鎖定到初級(jí)的自然諧振頻率，并在過(guò)零處進(jìn)行開(kāi)關(guān)，從而消除了開(kāi)關(guān)中的功耗（提高了效率）并大大減少了高次諧波的產(chǎn)生（需要更少的濾波）。初級(jí)諧振回路中的電流是純正弦而不是準(zhǔn)正弦（如在前幾代轉(zhuǎn)換器中看到的）或方波（在更傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中看到）。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‘

　　圖 2：正弦振幅轉(zhuǎn)換器 （SAC） 是 Vicor 專(zhuān)有的基于變壓器的串聯(lián)諧振拓?fù)洹?/p>

　　圖 3 顯示了包含 SAC 的 NBM 的典型高級(jí)框圖?！坝捎诜歉綦x變壓器設(shè)計(jì)與隔離變壓器相比，部分初級(jí)側(cè)電流直接流向次級(jí)，因此 NBM 將具有更高的輸出電流/功率能力，然后是類(lèi)似的隔離設(shè)計(jì)，”Ping 解釋道。Ping 補(bǔ)充說(shuō)，這種輸出電流/功率的增加轉(zhuǎn)化為非隔離變壓器設(shè)計(jì) NBM 的更低的美元/安培 （$/Watt） 成本。

　　NBM 的另一個(gè)好處是雙向啟動(dòng)和控制。這意味著 NBM 可以啟動(dòng)并開(kāi)始正向（降壓方向）或反向（升壓方向）的處理能力。例如，對(duì)于 K=1/5 NBM，可以在其輸入側(cè)施加 48 V 的輸入電源，而 NBM 將在其輸出端產(chǎn)生 9.6 V。此配置中的功率流將從輸入流向輸出。此外，還可以將 9.6 V 的電源施加到其輸出端，NBM 將在其輸入端產(chǎn)生 48 V 的電壓。在這種情況下，NBM 將反向處理從輸出到輸入的功率。Vicor 產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān) Jeremy Steddom 表示，無(wú)論電源流向如何，啟用/禁用和溫度監(jiān)控等控制功能都將發(fā)揮作用。

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

　　NBM 性能

　　根據(jù) Steddom 的解釋?zhuān)p向總線轉(zhuǎn)換器的一些優(yōu)點(diǎn)是：

　　防止在大負(fù)載突降情況下可能發(fā)生的輸出電壓過(guò)沖

　　再生和/或電池備份應(yīng)用

　　低壓轉(zhuǎn)低壓輸電應(yīng)用［1］

　　在 NBM 模塊中實(shí)施 SAC 以及自耦變壓器技術(shù)，Vicor 已準(zhǔn)備好NBM6123T60E12A7T0R，在 36 至 60 V 的初級(jí)電壓下工作時(shí)可提供 2000 W 的功率。NBM6123 尺寸為 61 x 25.14 x 7.26 mm封裝提供超過(guò) 98% 的峰值效率（圖 4）和高達(dá) 3532 W/in 的前所未有的功率密度。3 。 對(duì)于需要 K = 1/3 的應(yīng)用，制造商發(fā)布了初級(jí)電壓范圍為 36 至 46 V 的NBM6123T46C15A6T0R 。

　　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(wú)與倫比。單擊此處查看全尺寸圖像。

　　根據(jù) Ping 的說(shuō)法，還有其他供應(yīng)商提供可用于 NBM 應(yīng)用的非隔離式轉(zhuǎn)換器（通?；诮祲和?fù)洌Ｈ欢祟?lèi)產(chǎn)品通常受到監(jiān)管，其效率和輸出功率能力大大低于 Vicor 的 NBM 產(chǎn)品。