正弦振幅转换技术 提升中间总线转换器性能

技术分类: 电源技术  | 2004-03-29
Andrew Hilbert,Vicor 公司产品市场部高级总监

高频率(如1MHz)开关转换DC-DC转换器的出现,令转换器的功能压缩在比从前小很多的空间内。上世纪80年代零电流(ZCS)及零电压开关(ZVS)架构的出现,大大减少了转换器的开关损耗,令转换器可在高频工作,突破了当时转换器的功率密度水平。DC-DC转换器的功率由1W/in3跃升至20W/in3。每瓦功率所需的体积,重量均显著的减少。扩宽DC-DC转换器的应用范围,亦促成分布式电源架构(DPA)的应用。
  DC-DC 转换器的功率密度愈来愈高,其目前都是以砖型封装,再加上 0.5英寸或更薄的散热片,功率密度大概是 100W/in3或更高。这些器件在未加散热器时,安装高度约为0.5英寸或更小。
  分布式电源架构有另一个发展,就是DPA的改型,即从48V主电源生成隔离的中间总线电压,用48V输入电源做成中间总线,由这中间总线供电给系统内装嵌在电路板上的非隔离负载点转换器 (niPOL)。目前,最常用的中转总线电压是12Vdc,由固定比例的1/4砖中间总线模块 (IBC) 提供。典型输入是 42-53Vdc,输出240W,效率95-96%。

1/4 砖模块与BCM 的比较


图 1,1/4 砖模块与BCM 的比较

  
现在,出现了一种新的电源架构,称为正弦振幅转换器(Sine Amplitude Converter,简称SAC)。SAC是一种固定频率的共振转换器。它的开关频率达3.5MHz。它在初级开关采用零电压技术,在输出端利用零电压及零电流开关技术做成同步整流。SAC利用低Q值,薄身的变压器,令器件的功率密度达1000W/in3  ,效率达97%。另一方面,SAC的噪声放大率较中间总线模块大大减少,而且功率传送速度更快。(虽然这些在中间总线架构应用上并非是最重要的考虑因素。)
  多种SAC器件中,其中一种的功能与中间总线模块相同,称为BCM (中间总线转换器模块)。BCM的输入范围较宽,38-55Vdc,它除了有12V输出外,还有3、4、6、8、9.6、16、24及 48V输出。选择12V作为中间总线只是在两难中的折衷。在高功率系统,12V不足作为有效的供电,电流会太高; 在负载点产生低电压则会有麻烦,这是由于不隔离降压转换器占空比所限,很难实现高效益转换。BCM的多种电压选择,可以满足系统及负载的不同需求。
  BCM 的优点是体积小。BCM以VI晶片(VIC)封装,体积只有1.26英寸x 0.85英寸 x 0.24英寸,可以贴装在电路板上,板内安装,高度可低至0.16英寸,体积只有1/4砖模块的1/3。BCM的额定功率是满负荷下300W (3V、4V及 9.6V除外,其额定值是240W )。工作温度125℃,功率密度达1100 W/in3 (如作板内安装,密度可达1,750 W/in3 )。
  SAC 的另一优点是BCM可以直接并联,无须同步均流或并联通讯线。只需把输入输出并联连接,便可实现固有的均流。
  VI晶片可以很容易装嵌在1/4砖大小的电路板内。事实上,两只VI晶片正好安放在1/4砖电路板上,这就产生“VIC-in-a-Brick”的概念,把一只或两只BCM装在1/4砖大小的电路板上,采用业界的引脚 (见图2),把两只BCM并联,就可以在1/4砖标准封装内提供600W输出,如电流超过50A,则采用双引脚方式。

带两只BCM的600W“VIC-in-a-Brick” 1/4中间总线模块


图 2,带两只BCM的600W“VIC-in-a-Brick” 1/4中间总线模块

  由于SAC的效率高,功耗低,封装物料的热阻低,BCM的操作温度很高,满负荷时 VIC-in-a-Brick 封装的环境温度可达70℃(风速300LFM)。并符合基本的2250Vdc绝缘。
  无论是表面贴装的BGA封装,或穿孔式的J引脚封装、VI晶片或是“VIC-in-a-Brick”,BCM都具有高功率密度,高效率、低噪声、瞬态反应快速、选择多等优点。这些优点,将随着更多的SAC VI晶片而应用在DC-DC转换器、AC-DC转换器和功率因素校正前端上。
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