Понижающий SEPIC-преобразователь с улучшенными характеристиками


PDF версия

Новая высокопроизводительная топология источников питания позволяет создавать высокоэффективные импульсные преобразователи, характеризующиеся низкими электромагнитными излучениями (EMI) и ультравысокой плотностью мощности.

Solus Power Topology™, разработанная CUI Inc., Tualatin, объединяет преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью (SEPIC) и понижающий преобразователь, в результате чего получается SEPIC-понижающий преобразователь. Эта запатентованная топология открывает широкие возможности для разработки следующего поколения AC/DC- и DC/DC-преобразователей.
Достоинством Solus Power Topology™ является способность снижения потерь мощности. Повышение эффективности связано с уменьшением как тепловых потерь, так и потерь на переключение в нескольких критических точках схемы преобразователя. Снижение потерь настолько существенно, что может привести к увеличению выходного тока на 40% при одних и тех же размерах корпусов источников питания. И наоборот, уменьшение потерь позволяет при заданном уровне выходного тока и заданном размере корпуса повысить эффективность на несколько процентов для «зеленых» разработок по сравнению с традиционными понижающими преобразователями.
Как показано на рисунке 1, в состав Solus Power Topology™ входит один магнитный элемент, один управляющий ключ и два коммутационных ключа, для управления которыми используется ШИМ. Магнитный элемент состоит из четырех индуктивно-связанных дросселей, намотанных на один сердечник. По сложности это находится на одном уровне с традиционными понижающими преобразователями.
Solus Power Topology™ имеет характеристики, необходимые для высокопроизводительного преобразования мощности, это:
– высокая плотность мощности;
– высокая эффективность для «зеленых» систем;
– хорошее быстродействие;
– низкий уровень EMI.

 

Рис. 1. В Solus Power Topology™ применяются 4 индуктивно связанных дросселя (Т1А, Т1В, Т1С и Т1D), которые и позволяют воспользоваться преимуществами объединения SEPIC- и понижающего преобразователя

Solus Power Topology™ позволяет снизить тепловые потери за счет распределения рабочего тока по нескольким цепям. Q1SB является верхним ключом, как для SEPIC, так и для понижающего преобразователя. Q2B является нижним ключом понижающего преобразователя. Q2S является частью SEPIC-преобразователя. При поступлении тока на вход преобразователя он схемотехнически разводится по нескольким цепям, по каждой из которых течет меньший ток. Такой подход позволяет снизить тепловые потери и сделать их гораздо меньше, чем у стандартного понижающего преобразователя. Небольшой ток, поданный на MOSFET, позволяет снижать потери для заданной конфигурации устройств.

Снижение нагрузки на компоненты схем за счет уменьшения тока и напряжения

Распределение тока по нескольким путям, являющееся основной особенностью Solus Power Topology™, позволяет также снизить нагрузку на компоненты по напряжению примерно на 50%. Благодаря этому при заданном уровне преобразования напряжения можно использовать более низковольтные MOSFET и конденсаторы по сравнению со стандартными понижающими преобразователями. При этом (при тех же размерах корпуса) можно заменить MOSFET на транзисторы с меньшим RDS(ON).
Напряжения сток-исток, VDS трех MOSFET, представленных на рисунке 1, определяются следующими выражениями:

(1)

 

(2)

 

(3)

 

На величину VDS оказывают влияние 4 индуктивно связанных дросселя. Например, T1A влияет на VDS транзисторов Q1SB и Q2B, входящих в состав синхронного понижающего преобразователя. В свою очередь T оказывает влияние на VDS транзистора Q2S.
На рисунке 2а показаны потери мощности типового синхронного понижающего преобразователя. Коммутационная схема Solus Power Topology™ обеспечивает быстрое переключение и изменение VDS транзистора Q1SB с уровня VIN + VOUT
до 0,5(VIN + VOUT).
ISOLUS = ID, току через сток транзистора Q1SB. Из рисунка 2б видно, что:

 

(4)

где: D — коэффициент заполнения рабочего цикла.
Таким образом, потери на включение верхнего MOSFET (Q1SB) снижаются приблизительно на 75% по сравнению с аналогичным транзистором в традиционном понижающем преобразователе.

 

Рис. 2. Сравнение потерь мощности при переключении верхнего ключа стандартного понижающего преобразователя (а) и Solus Power Topology™ (б)

 

Снижение коммутационных потерь

Solus Power Topology™ хорошо подходит для реализации схем экстракции заряда затвора (GCE), способных перекрывать канал кремниевого MOSFET менее чем за наносекунду. На рисунке 3 показана форма сигнала при закрытии верхнего ключа (HSS). На фотографии экрана осциллографа видна форма сигналов тока и напряжения при закрытии верхнего ключа. На рисунке 4 красная кривая показывает мгновенную мощность в процессе закрытия ключа, пиковое значение которой равно 50  Вт. Закрытие ключа длится 6,4 нс, а суммарные потери на частоте 200 кГц весьма малы — 68 мВт.
На рисунке 5 показаны суммарные потери на переключение верхнего ключа в Solus-преобразователе и в типовом стандартном понижающем преобразователе. При изменении понижающего коэффициента VOUT/VIN, М, от 0,1 до 0,25 и 0,66, потери в Solus-преобразователе составляли соответственно 91%, 88% и 70%. Следовательно, Solus Power Topology™ идеально подходит для POL-приложений с широким диапазоном преобразования напряжений.

 

Рис. 3. Форма сигналов схемы экстракции заряда затвора (GCE) верхнего ключа

Рис. 4. Измерение мощности схемы GCE

Рис. 5. Сравнение суммарных потерь на переключение Solus Power Topology™ и типового понижающего преобразователя

На более высоких частотах переключения эти улучшения становятся более ощутимыми. Чем большую частоту переключения удается реализовать при сохранении приемлемого уровня эффективности преобразователя, тем выше будет плотность мощности. Если предположить, что в традиционном понижающем и Solus-преобразователях используются идентичные ключи, в случае применения Solus Power Topology™ существует потенциальная возможность снижения потерь на переключение более чем на 90%. Это позволяет Solus-преобразователю работать на высоких частотах переключения без значительного ухудшения эффективности и обеспечивать значения плотности мощности при достаточно приемлемом уровне КПД.
Как было описано выше, Solus Power Topology™ позволяет улучшить рабочие характеристики за счет современных методов преобразования мощности без использования более производительных компонентов или сложных систем управления. Однако модернизация других технических параметров также может привести к улучшению характеристик Solus Power Topology™.
Поскольку в Solus Power Topology™ применяется постоянный входной ток с незначительными пульсациями, значение входных конденсаторов может быть снижено вплоть до 95%. Такие входные характеристики позволяют также уменьшить EMI, вызванные пульсациями входного тока.

Изолированный DC/DC-преобразователь на 720 Вт

Первым преобразователем, реализованным по Solus Power Topology™, стал изолированный
DC/DC-преобразователь серии NQB. Являясь частью ряда CUI’s Novum Advanced Power™, промежуточный шинный преобразователь на 720 Вт первоначально был рассчитан на входной диапазон напряжений 36…60 В с напряжением на выходе 12 В и эффективностью выше 96%. NQB-преобразователи, очевидно, поддерживают более широкий входной диапазон, а также выходное напряжение 9,6 В. Основные характеристики NQB2060:
– VIN = 36…60 В (DC);
– VOUT = 12 В (DC);
– IOUT(max) = 60 A во всем диапазоне входных напряжений;
– POUT = 720 Вт;
– геометрические размеры = 58,4×36,8×12,2 мм (2,3×1,45×0,48 дюймов);
– эффективность (η): (VIN = 48 В (DC) и VOUT = 12 В (DC));
– при полной нагрузке > 95%;
– пиковая (приблиз. 60% нагрузка) = 96%;
– во всем диапазоне входных напряжений > 95%.
Этот преобразователь обеспечивает плотность мощности 445 Вт/дюйм во всем входном диапазоне напряжений 30…60 В.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *