工業應用的AC/DC電源轉換（也稱為“離線”電源轉換）與消費電子和大眾市場設計中使用的轉換有很大不同。通常，在工業應用中，電壓，電流和功率水平要高得多。還有其他的熱和電氣堅固性要求;對活動和備用有嚴格的監管要求;并且必須監控持續運行，以進行反饋回路和故障檢測。

在這些情況下，有效設計的關鍵是位于轉換器核心的電源轉換器控制電路或器件，以及開關功率器件及其支持元件。它們用于實現選定的電源拓撲結構，并在所需的電壓和電流下提供穩定的直流輸出。轉換器可以包括集成功率器件（如MOSFET）或充當外部分立功率器件的控制器和驅動器，包括碳化硅（SiC）功率器件。雖然一些轉換器為整個系統提供固定的直流電源軌，但其他轉換器作為需要特殊開/關屬性的柵極驅動器，其作用不那么明顯，但仍然至關重要。

本文介紹了適用于工業電源應用的各種電源轉換器拓撲結構，以及設計人員在選擇拓撲結構及其相關組件之前必須考慮的因素。在此過程中，它介紹了 ROHM 半導體的示例組件以及如何有效地應用它們。

電源轉換器拓撲選擇

設計人員在選擇電源轉換器和開發滿足工業應用挑戰性需求的電源時，必須平衡多種選擇和權衡與項目優先級。雖然有很多方法可以做到這一點，但最常見的方法是從電源需要提供的功率（以瓦特為單位）開始，以及輸入和輸出隔離的任何需求（圖1和圖2）。這兩個因素將指向電源轉換器拓撲的可能選擇。

圖 1：電源轉換器設計人員擁有多種可用拓撲結構，通常映射到所需的功率輸出范圍。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

圖 2：每個轉換器拓撲都可以用一個簡單的電路圖來描述，該電路圖說明了架構的核心，拓撲結構按隔離類型（底部）和非隔離類型（頂部）分組。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

請注意，這些都是開關模式電源（SMPS）拓撲。無一個是線性模式電源。線性電源僅用于那些迫切需要極低輸出噪聲的利基應用，因此其相對較低的效率（20%至40%）是可以容忍和可接受的。然而，在工業裝置中很少需要這種低功率相關的噪聲。

當然，現實情況是，確定“正確”的方法通常不是一個簡單的決定，因為有許多因素（例如以下內容）會影響決策：

基本性能：包括輸入和輸出調節以及瞬態響應

堅固性：在某些情況下，某些方法對電氣和熱應力的耐受性和耐受性更高

工作模式：電源可以是連續的、脈沖的或高度間歇的

高于標稱功率的電源需求

解決方案成本

隔離的必要性

效率：一個具有許多含義的簡短單詞

幾乎所有工業電源轉換器都固有的交流線路隔離，通過用于電壓升壓/降壓、用戶安全和系統性能的變壓器。盡管如此，即使使用初級側變壓器，一些轉換器也需要內部輸入/輸出隔離（有時稱為浮動輸出）用于自身操作、多個電源軌之間的電氣隔離或高壓軌自舉。這種輸入/輸出隔離可使用額外的變壓器或光耦合器來實現。

效率要求主導著許多設計選擇

任何關于工業電源轉換器的討論都必須將效率視為重中之重。與效率與運行時間最密切相關的電池供電設備不同，AC/DC轉換器的效率由其他目標驅動：

運營成本：許多工業應用需要數百瓦和數千瓦;這一點尤其重要，因為許多此類應用程序全天候運行。

散發多余的熱量：由于氣流受限或缺乏主動冷卻，許多裝置的環境溫度可能很高。這種熱量會導致組件應力，縮短故障時間，并需要更換停機時間和成本。功率轉換器效率低下增加了已經很高的環境熱負荷。

監管問題：有許多標準和要求將效率最低值設置為應用、功率級別和區域的函數。這些標準還定義了允許的功率因數最小值，因此可能需要在電源轉換器和電源中添加功率因數校正（PFC）。

基本的數學計算表明，為什么即使稍微提高效率也是關鍵和有意義的。考慮一個功率轉換器，其效率從65%提高到70%，這似乎是五個百分點的適度改進?，F在從互補的角度來看：效率低下已經從35%下降到30%。雖然這也是五個百分點的改進，但它的低效率降低了5/35或約14%。因此，將效率從65%提高到70%也可以將效率低下（因此成本和熱負荷，可能需要額外的冷卻）減少14%。這是一項重大改進，直接反映在熱設計要求和運營成本中。

實現更高的效率

沒有一個單一的“靈丹妙藥”可以帶來更高效的AC/DC轉換器設計，特別是當設計人員試圖擠出更多的改進百分點時。相反，進步是幾個大尺度和小規模戰略相結合的結果：

為轉換器選擇合適的內核拓撲結構，并確定最適合該方法和功率電平的開關頻率;該頻率通常在100千赫茲（kHz）和1兆赫茲（MHz）之間。

優化電路：在任何基本設計中都存在許多小的低效率來源，電源設計人員已經確定了部分或大部分最小化這些低效率的方法;雖然每個可能代表一個小的改進，但它們加起來。

使用固有有利于提高效率的有源和無源元件;對于功率器件（MOSFET）和一些二極管，現在這意味著遷移到基于SiC工藝技術的元件。

SiC技術現在成為下一代低損耗開關和阻斷元件最可行的候選者，因為它具有低導通電阻和高溫下的優越特性。與單獨使用硅相比，它具有許多優點，因為它具有更高的擊穿電壓和其他特性，包括：

更高的臨界擊穿電場電壓，因此可以在給定的額定電壓下工作，并具有更薄的層，從而大大降低導通電阻。

更高的導熱性，從而在橫截面積上產生更高的電流密度。

帶隙越寬，高溫下的漏電流越低。因此，SiC二極管和FET通常被稱為寬帶隙（WBG）器件。

作為粗略的“數量級”比較，基于SiC的MOSFET器件可以阻擋比硅器件高出十倍的電壓，并且可以在25°C時以一半或更低的導通電阻切換速度提高十倍左右。 同時，它們在200°C（高于125°C）的溫度下工作的能力簡化了熱設計和管理。

SiM 半導體的 SCT3105KRC14 是 SiC 開關器件功率處理能力的一個例子，這是一款 1200 伏、24 安培 （A）、N 溝道 SiC 功率 MOSFET，具有典型的 RDS（開）105毫歐（毫歐）。該器件具有良好的熱阻特性，表明其與施加的脈沖寬度相比可快速達到最大值（圖 3）。

圖 3：ROHM SCT3105KRC14 1200 伏、24 A、N 溝道 SiC 功率 MOSFET 具有熱特性，即使在脈沖驅動下也能快速達到平衡。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

分立式與集成式電源設計

在較低功率水平下，可以選擇將轉換器的穩壓器與相關電源開關器件相結合的IC。這樣做的好處是穩壓器和功率器件之間的互連具有優化的路徑，并且數據手冊提供的規格中描述了不可避免的寄生效應。此外，ROHM BD9G341AEFJ-E2（一款集成了 150 mΩ 功率 MOSFET 的降壓開關穩壓器）也最大限度地減少了對外部元件的需求（圖 4）。

圖 4：ROHM BD9G341AEFJ-E2 降壓開關穩壓器將 MOSFET 與控制器集成在一起，最大限度地降低了所需外部電路的數量和復雜性，同時還實現了解決方案的近乎完整的檢定。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

這款微型 HTSOP-J8 器件的尺寸為 4.9 × 6.0 × 1.0 毫米 （mm），非常適合工業分布式電源應用。它接受 12 V 至 76 V 輸入，并提供高達 3 A 的輸出電流。其電流模式架構提供快速瞬態響應和簡單的相位補償設置，同時支持用戶可設置的50 kHz至750 kHz開關頻率。

隨著功率水平（以及電壓和電流）的增加，功率器件的封裝變得更加重要，使用單獨的單個器件變得更加具有挑戰性。在這種情況下，具有兩個或多個功率器件的預封裝模塊是一個有吸引力的選擇。例如，ROHM 的 BSM300D12P2E001 是一款半橋模塊，具有兩個 SiC 雙擴散 MOSFET （DMOSFET） 和 SiC 肖特基勢壘二極管，可處理 1200 伏和 300 A 的電壓（圖 5）。

圖 5：ROHM BSM300D12P2E001 模塊集成了兩個連接的 SiC DMOSFET 和 SiC 肖特基勢壘二極管，從而簡化了常見半橋配置中的匹配 MOSFET，并表征了由此產生的性能。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

在單個模塊中包括 MOSFET 及其二極管可優化整個組件的性能，該組件看起來像一塊長而薄的磚，長約 152 mm ×寬約 62 mm × 17 mm 高（圖 6）。該模塊還包括一個獨立的溫度傳感器（NTC熱敏電阻），可以監控其熱情況，同時其結構鼓勵改進熱管理 - 這是這種電壓和電流配對的主要考慮因素。它通過使組件更容易物理地連接到電路板或散熱器，同時提供機械完整性并確保堅固電源引線的牢固連接來實現這一目標。

圖 6：ROHM BSM300D12P2E001 半橋模塊的封裝簡化了布線連接、物理安裝和散熱方面的考慮。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

驅動器對變頻器有效運行的重要性

無論是基于硅還是基于SiC，MOSFET的接通和關斷都必須仔細考慮與柵極驅動電壓、電流、壓擺率、瞬變、過沖、輸入電容和電感以及許多其他靜態和動態因素相關的許多細節。柵極驅動器充當來自控制處理器輸出的低電平、相對簡單的信號與開關器件的柵極輸入之間的接口。它是一種特殊類型的電源轉換器，其輸出與功率器件的要求相匹配。

當一對開關器件以半橋或全橋等常見排列方式使用時，驅動器模塊還必須確保高邊和低端器件即使在一瞬間也不會同時導通，因為這會導致電源軌和接地之間的短路。此外，在某些功率器件應用中，一個或兩個功率器件路徑必須與系統接地電氣隔離，同時仍為每個路徑提供匹配的性能。

為了滿足這些要求，一些功率器件供應商提供了專門為其一個或多個開關器件設計的驅動器IC。例如，村田/ROHM 2DU180506MR02半橋柵極驅動器IC的特性和特性補充了上述ROHM半橋模塊。它簡化了向該模塊提供指定驅動器的挑戰，同時增加了各種保護模式（圖 7）。

圖 7：村田/ROHM 2DU180506MR02 柵極驅動器 IC 專門設計用于作為控制處理器與 ROHM BSM300D12P2E001 半橋模塊之間的完整接口。（圖片來源：村田）

該柵極驅動器封裝為一個尺寸為 24 mm 的小型模塊，安裝在尺寸為 65 mm × 100 mm 的電路板上。該板提供用于直流電源、處理器接口和電源模塊驅動的連接器。柵極驅動器還提供幾乎所有功率器件所需的關鍵監控功能，尤其是那些用于高功率工業應用的器件。其中包括過載保護、過熱保護（它與作為電源模塊一部分的熱敏電阻接口）、欠壓鎖定和柵極驅動故障指示器。

其他半橋柵極驅動器更通用。ROHM BM60212FV 是一款 1200 V 高邊和低邊柵極驅動器 IC，適用于 N 溝道 MOSFET 和 IGBT（圖 8）。它使用提供磁隔離的無鐵芯變壓器來實現高端所需的電平轉換。然而，它被正式歸類為非隔離式柵極驅動器，因為其內部功能的其余部分不是隔離的。

圖 8：ROHM BM60212FV 高邊和低邊柵極驅動器 IC 在高邊驅動路徑的電平轉換電路中使用磁隔離;低端路徑不是隔離的。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

該小型器件采用 SSOP-20W 封裝，尺寸為 6.5 × 8.1 × 2.0 mm，兼容 3 V 和 5 V 驅動信號，并具有欠壓鎖定等功能。請注意，該 IC 符合 AEC-Q100 標準，這意味著它符合嚴格的汽車可靠性標準。雖然“汽車合格”不是“工業”，但一些設計人員更喜歡在其BOM上指定符合AEC-Q100標準的零件，作為在環境具有挑戰性的工業條件下提高產品可靠性的一種方法。這些條件包括電涌和EMI/RFI、極端溫度的熱應力以及由熱循環和振動引起的機械故障。

測量電流

在許多功率轉換器設計中，有必要知道從輸出流向負載的電流量，但在工業應用中，這幾乎總是至關重要的。在某些情況下，需要該電流值來向轉換器提供反饋以實現閉環性能;在工業環境中，還需要監控負載和情況，例如電機熄火或故障。實時連續測量該電流的方法之一是檢測與負載串聯的電阻器兩端的電壓。這通常被稱為分流電阻器，盡管該術語在這種情況下用詞不當。

從概念上講，以這種方式測量電流是歐姆定律的直接應用。在實踐中，例如在大電流工業轉換器安裝中，它帶來了多重挑戰。首先，設計人員必須確定適當的電阻值。這里有一個權衡：更大的電阻值提供更大的IR壓降，從而提供更好的分辨率和抗擾度，但它也消耗更多的功率，降低負載的電源軌電壓，并可能對控制器/負載環路的穩定性產生不利影響。

一般來說，一個好的起點是選擇一個電阻值，使得在最大電流下，它兩端的壓降約為100毫伏（mV）。算一算，這會導致檢測毫歐姆范圍內的電阻值，這與其他電路功能中常見的千歐和更高值形成鮮明對比。

確定電阻值后，設計人員必須選擇特定的物理元件。由于電流值的大小，與大多數其他電阻器相比，該電阻器必須具有相對較高的額定功率。此外，它必須不僅僅是在室溫下是準確的;相反，它必須使用材料和制造技術，共同確保低電阻溫度系數（TCR）。在低TCR下，盡管環境溫度升高或由于自熱而使溫度升高，但其值不會發生明顯變化。

ROHM PSR400ITQFF0L50 分流電阻器就是一個很好的例子，它展示了這種看似簡單的無源元件的復雜性。這是一個500微歐（μΩ）——是的，是半毫歐姆——±1%，4瓦金屬元件器件（圖9）。

圖 9：ROHM 的 PSR400ITQFF0L50 等電流檢測電阻器是采用特殊材料和技術精確制造的精密無源元件;它具有毫歐量程標稱值和極低TCR。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

雖然PSR400ITQFF0L50可能看起來像一塊簡單的彎曲金屬，但外觀可能會產生誤導。這種 5.2 × 10 mm 組件由銅和金屬氫化物精心混合而成，TCR 的 TCR 為 ±175/100 萬攝氏度 （ppm/?C）。該系列中的其他電流檢測電阻器具有較低和較高的 TCR。相比之下，標準的低成本“花園品種”電阻器的TCR約為±2000至±4000 ppm/?C，或比這些超低歐姆金屬板高功率分流電阻器高十到二十倍。

當在高電流值下使用分流電阻器時，它們的物理安裝和散熱是認真考慮的，它們的電氣連接也是如此。對于毫歐范圍內的電阻器，所需的四線開爾文連接點必須具有極低的電阻。它們還必須位于物理位置，以便它們產生有效的讀數，而不會被這些連接電阻損壞。

結論

由于應用環境的壓力，工業電源和轉換器的設計人員在實現性能、成本、空間和可靠性要求方面面臨著一系列獨特的挑戰。高功率水平需要額外考慮效率、散熱和封裝。還有柵極驅動器和電流檢測問題需要解決。

通過適當考慮應用的要求，此處所示的工業電源的核心構建模塊（包括分立器件、集成和模塊化電源組件）可以輕松應對工業級電源和轉換器的挑戰。