高效率和超寬輸入電壓范圍DC-DC變換器的設計方法

一個隔離DC/DC變換器的參數之一是該變換器能夠正常工作的輸入電壓范圍。對于那些應用于48V輸入電信市場的工業標準磚型產品，其輸入電壓范圍通常是36V~75V，或輸入電壓的最高值和最低值之比為2:1。但是有很多的應用期望變換器能夠處理更寬的輸入電壓范圍。比如，在一些系統應用中分布式輸入電壓具有很大的瞬態和浪涌，而且持續時間很長，需要濾波器濾掉。

作為一個例子，表1顯示在不同鐵路系統標準中分布式電壓的穩態和瞬態范圍。軍用車輛設計規范也需要類似的寬輸入電壓范圍，這樣可以滿足其分布式電壓的變化。使用寬輸入電壓范圍DC/DC變換器的另外一個原因是建立一個可以被用于不同直流系統的“通用”產品，對于標稱值為12V, 24V和48V的電池系統，一般需要提供三個不同的輸入電壓版本，作為替代，一個能夠在9V到75V工作的變換器提供了單一解決方案。這種單一方案可以節省生產成本和降低庫存。

表1：幾種鐵路標準中輸入電壓范圍的規范要求。

盡管人們期望有一款寬輸入變換器，但存在一個主要問題：在傳統產品中，模塊工作的輸入電壓范圍越寬，變換器的性能越差。一般來講，在給定的尺寸，比如1/4磚，變換器的效率和能夠處理的功率會隨輸入電壓范圍變寬而降低。這是一種自然結果，因為在設計最高輸入電壓的同時，還必須處理在輸入電壓最低時所帶來的非常大的輸入電流。對于2:1輸入范圍的變化器，其最大輸入電壓和最大輸入電流的積是需要處理功率的兩倍，這種結果作為一個合理的折中是可以接受的。但是，當一個變換器設計用來處理8:1輸入范圍時，其最大輸入電壓和最大輸入電流的積是需要處理功率的8倍，這種結果是非常極端的。對與變換器隔離變壓器相關的功率電路來講是非常嚴重的。

由于上述的限制，在商業上沒有很多DC/DC變換器能夠處理很寬的輸入電壓范圍，但少數“超寬”4:1輸入的變換器在給定的物理尺寸下典型處理不到1/2的功率，這是與只有2:1輸入電壓輸入范圍的變換器在相同尺寸下所處理的功率相比。另外，寬輸入變換器的轉換效率一般比2:1輸入變換器低10%-25%。

在寬輸入范圍變換器中減少這種損失的一種方法是將變換器的調整功能從其隔離功能中分離出來，如圖1所示。在此圖中，變換器的第一級是非隔離降壓變換器，同時通過改變占空比進行電壓調整功能。變換器的第二級提供沒有任何電壓調整的電氣隔離功能，而且一般還可以根據變壓器的變比進行進一步的降壓。這就是SynQor作為高效DC/DC變換器的領先者如何設計其所有的產品。

圖1：SynQor兩級DC/DC變換器拓撲，其中非隔離調整級在非調整隔離級之前。

這種兩級設計的優勢是只有第一級看到了輸入電壓的寬范圍。當寬輸入電壓帶來的損失必須要這個第一級承擔時，但這種損失并不嚴重，因為第一級不需要隔離變壓器。對于含有變壓器的隔離級，則無需面對寬輸入電壓范圍。在這種兩級設計中，其輸入電壓作為兩級方案中的中間總線電壓一直是不變的。這就允許隔離級被優化為單一工作條件，而且使得隔離級非常容易實現基于同步整流的設計，這種同步整流設計可以極大地降低功耗。在隔離級效率地提升彌補在調整級發生的任何附加損失都大有幫助。

圖2：SynQor半磚新產品系列IQ64，堅固耐用，輸入電壓范圍高達8:1。

圖2顯示了SynQor新系列產品IQ64系列8:1超寬輸入半磚DC/DC變換器。表2顯示了SynQor新系列產品的不同輸入電壓范圍。從表中可以看出，除了正常的2:1 輸入范圍，還有4:1 輸入范圍的產品，甚至8:1輸入范圍的產品。對于3.3V輸出電壓的最大功率等級和典型效率也顯示在此表中。盡管隨著輸入電壓范圍變寬，其功率等級和效率存在一些降低，但是并不非常明顯。這就是兩級拓撲方案對功率電路設計的結果。

除了能夠滿足不同輸入電壓范圍的需求，SynQor工業級DC/DC變換器InQor系列是全密封設計，非常堅固，能夠應用于苛刻的環境，而這種環境時常伴隨著有如此挑戰性技術要求的系統。

表2：SynQor新工業級產品InQor系列，其功率等級和效率是標稱輸入電壓和輸入電壓范圍的函數。