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为隔离式DC-DC转换器选择适合的拓扑 |
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作者：美国国家半导体 Bob Bell, Ajay Hari |
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在对隔离式DC-DC电源转换器的性能做比较的时候，功率和密度一直以来都是很重要的性能指标。当设计一个隔离式DC-DC电源转换器时，首要和最重要的就是拓扑结构的选择。过去，人们根据期望获得的输出功率水平来进行拓扑选择。早前的基本拓扑中，按照从低功率到更高功率的顺序，通常依次选用反激式、正激式、推挽式、半桥式及全桥式拓扑。虽然这些基本顺序依然有效，但是设计人员要将功率密度提升到新的高度，就必须把过去用在更高功率应用中的拓扑结构应用到相对较低功率的小型高密度电源转换器上。电源管理IC厂商正在通过增加更多功能和把高压栅极驱动器集成到控制器内解决这一问题。
虽然过去在选择拓扑结构时，人们通常把输出功率范围作为选择的首要基准。但是，为隔离式DC-DC电源转换器选择拓扑结构时，还有许多其它因素需要考量，如成本、尺寸、电气应力、输出噪声和输入电压范围。一个隔离式电源转换器的尺寸基本是由变压器尺寸和所使用的有源开关数目决定的。使用电源变压器会影响电源转换器的尺寸。基于B-H曲线，隔离式电源转换器拓扑可分为单端和双端拓扑。在操作过程中，如果通量仅出现在B-H曲线的一个象限内，则为单端拓扑结构。如果通量是在B-H曲线两个象限中摆动，则为双端拓扑结构。根据特定的要求，双端拓扑的磁芯应小于单端拓扑，同时无需额外的复位绕组。表1列出了几种最常用的隔离式拓扑结构以及过去采用这些拓扑相对应的功率范围。
表1：各种拓扑结构的比较
 反激式可能是最普遍使用的隔离式拓扑。在一些低成本、低功率应用中都可以找到这种拓扑结构。除了变压器不需要配备分离的输出电感外，反激式拓扑只需单个有源开关。这使得该拓扑结构使用简单且成本极低。作为一种单端拓扑，反激式拓扑的缺点是变压器的使用状况不佳，由于输入和输出纹波电流很高，在输入和输出端都要配上额外的电容器。
正激式和有源钳位正激拓扑通常用于中等功率应用。由于占空比的限制，而且也是单端拓扑，正激式拓扑的变压器使用同样受限。有源钳位正激变压器在稳定状态下要在两个象限内工作，但在启动和瞬态条件下，其峰值通量可以达到最高。为使变压器复位，正激式拓扑和有源钳位正激拓扑中的最大占空比都会受到限制。
剩下的三种拓扑结构：推挽式、半桥式和全桥式都是真正的双端拓扑结构，因此电源传送发生在BH曲线的两个象限内，且无需专门的设置来复位变压器。由于其变压器磁芯可以得到充分利用，因此，双端拓扑结构是需要最高功率密度的应用的最佳选择。双端拓扑的另一个优势是因为具有更大的占空比范围，可以进一步优化变压器性能。双端拓扑的每端均可工作在约50%的最大占空比下，这就意味着输出滤波电感器有效的最大占空比接近100%。设计优化变压器的匝数比以尽可能提高有效占空比，这可以大幅降低变压器的RMS电流并减小输出滤波器的尺寸。
图1所示是一个推挽式拓扑结构。为简单起见，图上选用的是D1和D2二极管，但大部分现代的高效电源转换器都是使用同步MOSFET作为二级整流器。推挽式拓扑的主要优势是它是一种双端结构，其缺点是，在关闭状态时，施加在初级开关上的峰值电压应力极高，是输入电压的两倍以上。
图1：推挽式拓扑结构
图2所示为半桥式拓扑结构。半桥式是双端拓扑结构。相比推挽式，半桥式拓扑的优点是初级开关电压应力不会超过半桥的输入电压。另一个优点是只有一个初级绕组，这使得变压器磁芯窗口可以得到更好的利用。半桥式拓扑仅与电压模式控制兼容，当使用电流型控制或工作在逐周期限流状态下时，无法确保C1和C2间中点的? Vin电压平衡。可以通过添加有源中点平衡电路来使半桥式拓扑工作在电流模式控制下，但该电路非常复杂。
图2：半桥式拓扑结构
图3所示为一个全桥式拓扑结构。全桥式拓扑具有双端拓扑的所有优点。初级开关电压不会超过输入电压。由于只有一个初级绕组，其变压器窗口利用率非常高。当一个初级开关在半桥式拓扑结构里面是导通的，则通过初级绕组的电压是? Vin。在全桥式拓扑中，对角线上的两个开关同时导通。当一组对角开关导通，通过初级绕组的电压就是Vin的最大值。因此对于一个给定的电源，全桥式拓扑的初级电流只有半桥式的一半。特别是在高负载电流的情况下，减小电流可以相比半桥式拓扑获得更高的效率。全桥式拓扑的缺点是，同时驱动四个初级开关会提高复杂性并增加额外开关的成本。与半桥式相比，增加的这部分额外成本抵消了减少输入电容节省下的成本。
图3：全桥式拓扑结构
另一个用于高输入电压和大功率应用的全桥式结构是移相全桥。这种拓扑结构跟通常的全桥式拓扑相似，但其控制方法是不一样的；在保持开关频率稳定的情况下，移相全桥(PSFB)可实现初级变压器的零电压转换。零电压转换在高输入电压应用中非常有用。通常该拓扑需要将一个额外的换相电感与初级电源变压器串联，以在轻载条件下确保零电压开关。该拓扑的一个缺点是，在环流期间，电源变压器的初级传导损耗会增加。
LM5045是一个集成了控制和栅极驱动的新型控制器，它使得全桥式拓扑结构可用在低功率、小型化应用中。LM5045总共有六个控制输入，4个2A的栅极驱动器，它们可以直接驱动初级开关，并为两个次级侧同步开关提供两路控制输出。LM5045可以直接工作在高达100V的输入电压下，可以配置为电压模式或者电流模式控制。
图4是采用全桥式拓扑结构的100W隔离式DC-DC电源转换器的电路示意图。输入电压范围为36V至100V，在3.3V下其输出电流为30A。
图4：全桥式电源转换器电路原理图
图5所示是图4中电路原理图的评估板效率曲线。图中同时显示的还有一个类似的半桥式转换器(LM5035评估板)的效率曲线。由图可知全桥式设计的效率曲线更平滑，在较高输入电流下其效率超过了半桥式结构。而在输入电流较低时，由于栅极驱动损耗，全桥式的效率则相对较低。
图5：全桥式和半桥式电源转换器的效率
改善隔离式DC-DC转换器的功率密度的一个最新趋势就是把更高效、大功率的拓扑结构用于较低功率的应用中。这使得设计人员可以得到更高功率密度的解决方案。在市场上，利用全桥拓扑结构，一些电源模块供应商已经能够提供四分之一和八分之一砖解决方案。LM5045通过集成高压电平变换栅极驱动器同步FET控制器，并集成将功率转换器线性转换为预偏置负载所需的附加逻辑电路，有望进一步推动该趋势的发展。这种集成趋势今后将会继续应用在所有功率等级中，而在不远的将来，带有电流隔离器的初级和次级控制将会集成到一个单芯片封装内。
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(投稿)
(5/18/2011) |
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