作者：John Glaser，高效電源轉(zhuǎn)換應用工程總監(jiān)

推動電力成為人類利用的主要和最通用的能源形式的關(guān)鍵技術(shù)之一是變壓器。這種簡單的設備能夠?qū)崿F(xiàn)電壓、電流和阻抗的有效轉(zhuǎn)換，進而使世界電氣化以及所有電氣和電子設備成為現(xiàn)實。由于早期的變壓器是交流設備，盡管托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）和他盡最大努力促進交流而不是交流 [1]，但它們推動了世界向交流發(fā)電、配電和使用的方向發(fā)展。

然而，今天我們生活在一個電子世界，一個數(shù)字電子世界。這個數(shù)字電子世界是一個直流世界。這個世界是由開關(guān)模式電力電子設備實現(xiàn)的，它為直流世界提供與原始交流變壓器相同的好處，以及調(diào)節(jié)和控制等新的好處。然而，DC-DC 轉(zhuǎn)換器有一個特殊的化身，它非常符合其 AC 變壓器的祖先，即 DC 變壓器，通常被 DCX [2] 稱為。DCX 一詞通常指的是一種未穩(wěn)壓的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，它以固定的轉(zhuǎn)換比轉(zhuǎn)換電壓和電流，就像交流變壓器一樣。DCX 在數(shù)據(jù)中心和計算場中的分布式直流電源系統(tǒng)中特別有用。

在本文中，我們以 700 W 硬開關(guān) 4:1 DCX 為例，以 48 V 標稱輸入和 12- V 輸出為 1/8磚 格式。

什么是 DCX？

DCX一般由逆變器、交流變壓器和整流器組成，如圖1所示。現(xiàn)代 DCX 使用半導體開關(guān)構(gòu)成逆變器和整流器，并以高頻運行以最小化變壓器的尺寸。如果整流器采用有源開關(guān)（同步整流器或 SR），DCX 可以實現(xiàn)雙向功率流動，并且逆變器和整流器的角色可以互換 [3]。開關(guān)的控制方式使得 DCX 盡可能接近標準變壓器方程，即：

V IN = NV輸出

NI IN = I OUT

請注意，DCX 不提供調(diào)節(jié)作為正常操作的一部分。這允許對電路進行高度優(yōu)化，以實現(xiàn)最大效率和功率密度。現(xiàn)代 DCX 通常被期望提供一些附加功能，其中可能包括過流檢測、電流限制、啟用/禁用電源控制以及測量和診斷功能。

圖 1：現(xiàn)代直流變壓器 (DCX) 的框圖。

在開發(fā) DCX 的各種實現(xiàn)方面已經(jīng)付出了巨大的努力。一些使用串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器的變體以或非常接近諧振 [4]、[5] 運行。在以固定占空比運行逆變器和整流器時，這具有軟開關(guān)和固有的類似變壓器的作用，但 RMS 電流高于 PWM 轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)電流限制是一個挑戰(zhàn)。另一種有前途的方法是雙主動橋（DAB）[6]，[7]。這種方法可以利用軟開關(guān)，并且仍然具有低 RMS 電流。然而，DAB 本身并不遵循變壓器方程，因此始終需要主動控制。

最簡單的 DCX 采用標準硬開關(guān)拓撲實現(xiàn)，如圖2 所示。該轉(zhuǎn)換器作為降壓轉(zhuǎn)換器運行，運行在或非常接近最大可能有效占空比 D = 1，相當于圖 2 中的所有開關(guān)以 50% 運行。這最大限度地提高了變壓器利用率，并允許使用非常小的電感值，因為施加到電感器的伏秒低。事實上，電感器對于理想的 DCX 操作并不是絕對必要的，但一個小電感器可以在必要時限制電流，并用于過濾開關(guān)尖峰和相關(guān)的振鈴。

圖 2：基于降壓轉(zhuǎn)換器的隔離式硬開關(guān) DCX。

它在哪里使用？

DCX 轉(zhuǎn)換器的典型應用是作為分布式電源系統(tǒng)的一部分，如圖3 所示。這樣的系統(tǒng)只需要在負載處進行嚴格的電壓調(diào)節(jié)，但仍然需要分布式電源系統(tǒng)的其他好處，例如高效率、提高安全性和降低電源總線成本。由于公用電力的歷史和交流變壓器的廣泛使用[8]，此類系統(tǒng)的好處眾所周知。

圖 3：DCX 在分布式直流電力系統(tǒng)中的典型應用。

eGaN DCX

eGaN FET 的卓越 FOM 已得到充分證明 [9]，eGaN FET 提供的效率增益已經(jīng)表明，硬開關(guān) PWM 磚型轉(zhuǎn)換器的功率密度可以提高近 70% [10]、[11] . 看看使用 eGaN FET 的 DCX 轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)什么樣的性能是有意義的。

方法

為了評估 eGaN FET 在 DCX 轉(zhuǎn)換器中的性能優(yōu)勢，決定采用最簡單的方法，即使用標準硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器（圖 2）。由于 EPC 已經(jīng)設計了一個 8 磚演示板，EPC9115 500 W 50 V 至 12 V 標稱、完全穩(wěn)壓的總線轉(zhuǎn)換器（圖 4)，以此作為基線設計開始是有意義的 [12]。為了作為 DCX 運行，只進行了一些簡單的更改。首先，電感器從 470 nH、0.9 mΩ 模壓粉芯電感器更改為 180 nH、0.3 mΩ 間隙鐵氧體電感器。請注意，作為 DCX 運行實際上將允許使用更小值的電感器，但沒有商業(yè)上具有更低 DCR 的更小值電感器大到足以連接到 PCB 上的焊盤。其次，軟件中的最大占空比鉗位從 0.98 更改為 0.985，以允許給定輸入的輸出略高。最后，死區(qū)時間從 25 ns 減少到 15 ns。

圖 4：用作 DCX 基礎的 EPC9115 八塊磚演示板。

結(jié)果

修改后的 EPC9115 轉(zhuǎn)換器在三個輸入電壓（48 V、50 V、52 V）下在最大負載電流為 62 A 的負載電流范圍內(nèi)進行了測試。圖 5顯示了 eGaN DCX 在 25C 時的效率結(jié)果（非熱穩(wěn)定狀態(tài)）。一條非常平坦的效率曲線在所有輸入電壓的寬電流范圍內(nèi)達到 97%，并且 62 A 的輸出功率對于 48 V 輸入為 710 W，對于 52 V 輸入為 771 W。62 A 負載時的最壞情況效率仍為 96.6%。

圖 5：3 個 V IN值 （48 V、50 V、52 V）下的 eGaN DCX 效率和輸出電壓。請注意，最大輸出電流為 62 A，對應于 V IN = 48 V 時的 710 W 和 V IN = 52 V 時的 771 W。

圖 5 的結(jié)果可用于與其他轉(zhuǎn)換器進行基線比較，但并不代表實際的操作條件。圖 6顯示了轉(zhuǎn)換器在熱穩(wěn)定狀態(tài)下的熱圖像，在 24°C 下，400 LFM 氣流，V IN = 48 V，I OUT = 58.4 A，輸出功率為 667 W。在這種情況下，最高溫度為108°C 在變壓器鐵芯上。次級側(cè) eGaN FET 在 106°C 下運行，初級側(cè) eGaN FET 在相對涼爽的 84°C 下運行。

圖 6：eGaN DCX 的熱圖像，V IN = 48 V。I OUT = 58.4 A 和 P OUT = 667 W，在 24°C 下以 400 LFM (2 m/s) 氣流在熱穩(wěn)定狀態(tài)下運行。

下一步是什么？

硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器中的 eGaN FET 經(jīng)驗證的效率和功率密度遠遠超過了類似轉(zhuǎn)換器中的硅 MOSFET。雖然通過在軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器中使用硅 MOSFET 可能實現(xiàn)類似的性能，但這種設計具有挑戰(zhàn)性，并且如前所述具有許多限制。此外，由于卓越的品質(zhì)因數(shù)，eGaN FET 很可能會從這種方法中受益。

請注意，所有測試都是在沒有散熱器的情況下完成的。 大多數(shù)大功率硅基磚轉(zhuǎn)換器采用集成散熱器。已經(jīng)表明，eGaN FET 的頂部散熱能力可以允許高達 30% 的電流，因此可以做出很大的改進 [13]。

最后，基于對完全穩(wěn)壓 EPC9115 八磚轉(zhuǎn)換器的修改來評估 DCX 性能。但是，預先將轉(zhuǎn)換器設計為 DCX 可以進行許多進一步的優(yōu)化，例如控制簡化、變壓器改進以及使用更小的電感器來縮短大電流輸出路徑。在 60 A 時，1 m? 電阻器的功耗為 3.6 W。對于 700 W DCX，每毫歐的損耗增加 10-15%。在這些高輸出電流下，一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是如何從如此小的轉(zhuǎn)換器中獲取電流。

結(jié)論

eGaN FET 的卓越性能使工程能夠?qū)鹘y(tǒng)硬開關(guān) DCX 性能的極限推向遠超硅 MOSFET 的極限。

審核編輯 黃昊宇

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