内容发布更新时间 : 2024/12/27 10:15:16星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

新一代DC/DC变换器电路拓扑

正弦振幅变换器——一种新的DC/DC变换器电路拓扑。基于零电压、零电流开关，这种新技术实现了几兆赫频率开关及每立方英寸千瓦级的功率密度。

一种新型功率变换器拓扑，即正弦振幅变换器是用VICOR的线路电压转换模块（VTM）为基础来实现的高性能电源模块。BGA封装的VTM是一个集成的dc-dc变换器模块。为分比式功率结构（FPA）。公司的新目标是用此方式实现分布式电源，虽然这些元件的能力及实现方法在早期是描述过的，而构成此技术的唯一基础是众所周知的。

正弦振幅变换器（SACS）使得VTM获得非常高的功率密度，约为1KW/in3，在负载点得到高效率和快速的瞬态响应。远远超出PWM型变换器及零电压零电流谐振型变换器能实现的大约100W/in3的功率密度。由于使用了这种设计，使这一切成为可能。这种技术结合了最好的实现ZCS/ZVS开关的谐振变换器及硬开关的PWM变换器，SACS更多是靠它的性能达到的高频率，这让它仅使用了非常小的磁芯。

SACS的开关在兆赫级频率工作，在流行的VTMS中，开关频率是3.5MHg，这是最好的工作频率来实现ZCS/ZVS的谐振变换器和PWM变换器。如同在隔离的DC/DC变换器砖块中的所使用的PWM变换器。

在一些非隔离的降压变换器中的交叉多相来实现更高的有效的开关频率时，SACS则是单相，所以开关频率不是有效频率，而是实际频率。理解了SACS怎样实现它们的高频率特性需要了解现有设计的局限。ZCS/ZVS谐振变换器如正激式DC/DC变换器如VICOR的第二代产品系列可以开关到1MHg频率，这些变换器工作要靠储能于功率变压器的漏感中。

在基本的谐振拓扑中，能量系有意地存在谐振变换器的变压器中，能量储存元件的Q值——变压器漏感的专有名词，必须做得更高。但是变压器的高Q值及漏感的获得是建立在变压器绕组的电阻损耗上的。

在PWM拓扑中，象这样典型地加在非谐振隔离的dc-dc变换器上，功率变压器的漏感是要最小的，因此，变压器中电阻损耗对工作频率就不是限制因素。但在这种情况，开关损耗与PWM硬开关损耗结合在一起就产生对开关频率的限制，它就只能在100KHg~400KHg范围。

SAC克服了谐振变换器的电阻损耗及开关损耗以及PWM变换器

的开关频率限制，就象传统的谐振式变换器SACS使用了ZVS/ZCS开关，大大减小了高频带来的开关损耗，也如同PWM变换器一样，SACS最大程度地缩小了变压器的漏感，这也就使变压器能工作在几兆赫的频率之下。从最大到最小的漏感是主要的变化，替代的是最大的能量储存在变压器中。SACS将所存能量做到最小化，随着这种改变，处理能量的原理也在变化。

基本的ZCS/ZVS谐振变换器工作在量子级能量传输。从而，一个固定总量的能量在每个周期内传输到负载，输出功率正比于开关频率下的时间间隔中所储存在变换器的槽路中的能量。作为第一顺序近似，Pout正比与f×LI2，此处Pout是变换器输出功率。f是开关频率，L是变压器漏感，I是通过变压器的电流。

为增加传输到负载的功率，谐振变换器提高了它的开关频率，与此相反，SAC使用充电传输来工作。由变换器在每个工作周期中的充电总量是输出功率的函数。SAC建立了低压正弦波的振荡，其由谐振一个总量很小的漏感来建立，此漏感存在于功率变压器中，它与初级边的一个电容谐振。（图1）该振荡器的振幅为由负载电流拉动的电流的函数。

换句话说，随着负载电流上升，振荡幅度（跨过谐振电容测量出来的）也随之上升。它的频率还是固定的。当没有负载电流拉动时，其幅度就降至零。

一个12V输出的VTM提供了SACS工作的实例。（图2）这里，VTM工作在开环状态，无输出电压检测及调整，它是由一个预调整的模块（VICOR的PRM或其它dc-dc变换器）来提供的。在此例中，VTM在负载由100W一步变到200W时，展示出1%的负载调整率。但要谢谢这个很低的Q值，输出波形及谐振电容的内部波形迅速成型而没有振铃，如果VTM是让PRM工作在闭环，负载调整率将升至0.1%。

在一些VTM中，SAC的执行方案为全桥结构，初级次极都如此（图1），但是用半桥建SAC也是可能的，用push-pull也可以，这取决于功率的需要。

SACS固定频率工作，它与ZCS/ZVS谐振式变换器是有区别的，另一个特性差异就是省掉了储能元件，它减缓了能量的传输到负载的速度。在VICOR的正激变换器中，用ZCS/ZVS开关，能量储存于变压器的漏感中，从此处传输至二次侧的谐振电容中，然后通过一个滤波电感传至负载。

电容及电感是串联式能量储存元件，它占有电源砖块的空间，并减缓了砖块的瞬态响应。在SAC中，串联能量储存元件就不再需要，因为变换器工作系充电式传输，而不是靠储存和传输能量包。

串联式能量储存还用于PWM变换器中，甚至在正激式PWM变换器中，若无输出电感的话，功率变压器的漏感作为变换器的输出阻抗中重新出现的一项。这种重新出现的与电路中直流电阻的耦合在负载变化时会产生电压降。

与功率变压器的漏感组合在一起的SAC，由初级侧谐振电容设置的谐振频率被锁定的开关频率抵削掉。所以无论多么小的串联输出阻抗都将被变压器的漏感献出，并被消除。在1.5V输出的VTM中，开环输出阻抗刚好是1.3mΩ，平缓地从0~1MHg之间都是如此。

这个阻抗特性导致了200ns的快速瞬态响应。它比多相降压变换器所实现的还要好，这在产生CPU核心电压的电压调节模块中都见过，但SAC还保持着另一个独一无二的优点：一个半直接的功率串让其掌握着负载的切除，没有任何一种电压箝制的需求。如果一个CPU产生了一个负载倾倒，SAC将从输出将此能量重新送回到它的输入电压源。在此同时，SAC将提供有效的旁路电容，并以正比于输入到输出电压比的平方的方式来增加。

跳跃式发展：第一个看点——减小Q值提升变换器效率

在传统的零电流/零电压变换器中，谐振电流信号的幅度可以控制在几伏特电压水平。将其与SAC的正弦幅度变换相比较，其振荡器刚好就是几伏的峰峰值，在这种形式下需要高的振荡幅度，因为传统的ZVS/ZCS变换器处理能量方式是串行的。

SAC取决于变压器漏感的Q值最小化，这可以从振荡器设计时典型需要高Q值直觉地看出来。当然，在SAC的情况，目标是减小变压器漏感中储存的能量，这是因为更多的能量储存在漏感中，变换器较低的谐振及较大的变压器电阻及它的损耗。

在SAC中，低Q值实际上带来更高的转换效率。轻视槽路中能量损耗的几个百分点这一事实都会使它的Q值变低。虽然槽路损失上升，并与1/Q成正比，储存在槽路中的能量总量降落与Q2成正比。换句话说，由于低Q值时，储存在槽路中的能量更少，你就能提供使这种能量损耗更大些的比率，一直到实现变换器损耗的绝对减小。

但Q值不仅至少要低至某一点，而且Q值必须大于1，否则SAC就不会振荡工作了。实际上，Q值仅减少到2或3。除非振荡器将去停止正弦振荡，而这是ZCS开关的基本要求。

比较Q值和储存能量

Q值与功率变压器漏感和储存在漏感中的能量，根据所用的功率变换技术会产生变化。下表给出Q值及储能水平的结果，它系这三种类型的dc-dc变换器用在大于200W输出时的状况。虽然脉宽调制型变换器与SAC展示出相似水平的Q值，但正弦幅度变换器在功率变压器中储存的能量是最少的。

这反映了两种变换器之间开关频率的数量差异。由于开关损耗不同，PWM变换器工作在较低频率，因此它要求功率变压器较多的匝数。这些超出的匝数及较低的开关频率会在功率变压器中带来较大的漏感。这就导至了PWM变换器中有较大的储存能量。

在传统谐振正激变换器中有ZCS/ZVS开关，漏感故意留得较高，以便将能量储存在内。