Промежуточные шины DC/DC-преобразователей от компании Flex Power Modules
В статье рассматривается оригинальное решение компании Flex Power Modules для промежуточного шинного преобразователя. Предложенный подход позволяет увеличить эффективность систем с распределенной системой питания. Приведены графические иллюстрации, и кратко описаны основные особенности преобразователя семейства PKU-D с гибридным регулируемым коэффициентом усиления.
Введение
Обычно в состав распределенной системы питания входит несколько промежуточных шин постоянного тока. Первую такую шину с самым высоким напряжением формирует промежуточный шинный преобразователь (ПШП) (intermediate bus converter, IBC). Вход ПШП подключен к промежуточной 48-В шине; на его выходе формируется 12-В шина, к которой, в свою очередь, подключаются POL-преобразователи, создающие напряжение питания в диапазоне 1,8–5,5 В для питания конечных потребителей. Напомним, что для 48-В шины разброс напряжения может составлять 36–72 В.
В качестве промежуточного преобразователя ПШП чаще всего применяются либо нерегулируемые ПШП с фиксированным коэффициентом преобразования, либо регулируемые ПШП с фиксированным выходным напряжением. Однако к настоящему времени появились преобразователи с гибридным регулируемым коэффициентом усиления (ГРКУ) (hybrid regulated ratio (HRR). Этот преобразователь совмещает особенности обоих упомянутых устройств. Далее при описании преобразователей ГРКУ мы будем иметь в виду, прежде всего, преобразователь PKU4217D компании Flex Power Modules, а в заключительной части статьи приведем его краткое описание.
Традиционные преобразователи
чаще всего в традиционных преобразователях используется ШИМ- регулирование. При коэффициенте заполнения ШИМ близком к 1 дросселю выходного фильтра не требуется запасать много энергии для поддержания выходного напряжения во время короткой паузы, когда верхний ключ закрыт и нагрузка отключена от сети. Входные и выходные токи при высоком коэффициенте заполнения имеют непрерывный характер, а их среднеквадратичные значения близки к средним значениям. Это означает, что отсутствуют пиковые значения тока большой величины и пульсации тока в дросселе относительно невелики. При таком режиме довольно значительны коммутационные потери в силовых ключах, т. к. их замыкание происходит в момент, когда ток дросселя сравнительно велик.
При малых коэффициентах заполнения мы наблюдаем обратную картину. Дросселю выходного фильтра требуется запасти значительное количество энергии для поддержания напряжения на нагрузки во время длительной паузы. Ток имеет прерывистый характер с высокими пиковыми амплитудами и, следовательно, с высоким среднеквадратичным значени- ем. В этом случае возрастают потери на проводимость.
Наибольший КПД регулируемых преобразователей наблюдается при минимальном входном напряжении и значительном выходном токе. При высоком входном напряжении и малой нагрузке КПД снижается. Несколько улучшает положение возможность настройки преобразователя ПШП на оптимальное фиксированное выходное напряжение. Учитывая, что выходное напряжение ПШП является входным для POL-преобразователей, такой вариант вполне возможен.
Преобразователи ПШП с фиксированным коэффициентом преобразования работают с коэффициентом заполнения близким к 1, поэтому имеется возможность уменьшить дроссели и конденсаторы выходного фильтра, используемые для хранения энергии в течение короткой паузы. Кроме того, меньше требований предъявляется к параметрам конденсаторов фильтра из-за того, что среднеквадратичное значение токов близко к среднему и отсутствуют пиковые токи с большими амплитудами; следовательно, невелики и амплитуды пульсирующих токов конденсаторов.
Проблемой для преобразователей ПШП с фиксированным коэффициентом преобразования является широкий диапазон входного напряжения. Например, при коэффициенте преобразования 5:1 и входном напряжении стандартной 48-В шины, изменяющемся в диапазоне 36–72 В, выходное напряжения нерегулируемого преобразователя находится в пределах 7,2–14,4 В. Столь большой разброс значений заметно ограничивает выбор POL-преобразователей, входной ток которых при низком напряжении существенно возрастет, а коэффициент заполнения увеличится, что приведет к увеличению коммутационных потерь в силовых ключах POL-преобразователя. Таким образом, диапазон входного напряжения ПШП уменьшают, что, в свою очередь, сужает их область применения.
Рисунок 1
Рисунок 2
Различия между преобразователями с ГРКУ и ПШП с коэффициентом преобразования 5:1
Зависимость максимальной выходной мощности преобразователя с ГРКУ от входного напряжения
Рисунок 3
Рисунок 4
Зависимости КПД от выходной мощности при разных входных напряжениях для преобразователя с ГРКУ
Зависимости КПД от выходной мощности при разных входных напряжениях для преобразователя с фиксированным выходным напряжением
Преобразователи с ГРКУ
Преобразователи с гибридным регулируемым коэффициентом преобразования работают в режиме нерегулируемого преобразования с высоким коэффициентом заполнения при низких входных напряжениях, но плавно переходят в режим ШИМ-регулирования, когда входное напряжение превышает заданное пороговое значение.
Рисунок 1 иллюстрирует различия между преобразователями с ГРКУ и ПШП с коэффициентом преобразования 5:1 при входном напряжении в диапазоне 35–75 В. В преобразователе ПШП при входном напряжении 65 В срабатывает защита от превышения входного напряжения, и он выключается. Преобразователь с ГРКУ до порогового значения, которое в рассматриваемом случае составляет 54 В, работает в режиме нерегулируемого преобразования, а при превышении порогового значения 54 В переходит в режим ШИМ- регулирования.
На рисунке 2 показана зависимость максимальной выходной мощности преобразователя с ГРКУ от входного напряжения. При увеличении входного напряжения выходная мощность несколько снижается из-за возрастания коммутационных потерь в силовых ключах. На рисунке 3 показаны зависимости КПД от выходной мощности при разных входных напряжениях. Как видно из рисунка, преобразователь наиболее эффективно работает при входном напряжении 54 В, которое равно пороговому значению, когда происходит переход из режима с фиксированным коэффициентом преобразования в режим ШИМ-регулирования.
На рисунке 4 показаны аналогичные зависимости для преобразователя с фиксированным выходным напряжением 12 В производства этой же компании Flex Power Modules. Как видно из рисунка, в данном случае максимальный КПД достигается при малых входных напряжениях, когда увеличивается коэффициент заполнения ШИМ последовательности импульсов. Однако это не характерный режим для работы шинных преобразователей – чаще они работают с входным напряжением близким к номинальному, и именно в этой области КПД преобразователей с ГРКУ достигает наибольших значений.
Это обстоятельство и является главным преимуществом преобразователей с ГРКУ. К тому же, в данном случае максимальный КПД преобразователя с ГРКУ на 1,2% выше, чем у регулируемого преобразователя с фиксированным выходным напряжением. Преобразователь ПШП с фиксированным коэффициентом преобразования также имеет высокий КПД, но лишь в узкой области входных напряжений, когда коэффициент заполнения ШИМ последовательности близок к 1. В этом случае КПД этого преобразователя и КПД преобразователя с ГРКУ сравнимы, но при возрастании входного напряжения преобразователь с ГРКУ выигрывает за счет перехода в режим ШИМ-управления. Более подробный расчет КПД преобразователей см. в [1].
Однако, как всегда, есть и оборотная сторона медали. В данном случае она заключается в зависимости выходного напряжения преобразователей с ГРКУ от входного напряжения. На рисунке 5  показана реакция рассмотренных преобразователей на скачкообразное изменение входного напряжения с 48 до 54 В. Как и следовало ожидать, выходное напряжение преобразователя с постоянным коэффициентом К повторило скачок входного напряжения, уменьшив его в К раз.
Изменение выходного напряжения преобразователя с фиксированным напряжением определяется линейной регулировочной характеристикой преобразователя, т. е. практически не изменилось. Выходное напряжение преобразователя с ГРКУ плавно меня- ется с 12 до 12,5 В в течение примерно 4 мс. Изменение вызвано переходом из режима преобразования с постоянным коэффициентом в режим ШИМ- управления.
Рисунок 5
Рисунок 6
Реакция преобразователей разных типов на скачкообразное изменение входного напряжения с 48 до 54 В
Структурная схема преобразователя PKU4217D
Изолированый DC/DC-преобразователь PKU4217D
Многие приведенные выше графические иллюстрации и количественные значения относились к изолированному DC/DC-преобразователю PKU4217D. В этом разделе мы кратко опишем его основные характеристики [2]. Структурная схема преобразователя приведена на рисунке 6. Первичная сторона представляет собой полумостовую схему, а вторичная – двухполупериодный синхронный выпрямитель. Преобразователь производится в формфакторе 1/16 brick (см. рис. 7).
Номинальный диапазон входного напряжения преобразователя составляет 36–60 В, но его можно расширить до 72 В. При этом следует принять меры к тому, чтобы температура преобразователя не превысила 125°C. При падении входного напряжения ниже 36 В защита от провалов входного напряжения выключит преобразователь. Предусмотрено регулирование выходного напряжения, но заметим, что эта функция действует только тогда, когда преобразователь работает в режиме ШИМ-управления, т. е. когда входное напряжение превышает пороговое значение перехода из режима преобразования с постоянным коэффициентом преобразования в режим ШИМ-управления.
Рисунок 7
Внешний вид преобразователя PKU4217D
Примечательной особенностью преобразователя является метод ГРКУ, который мы довольно подробно описали выше. В остальном используется стандартная, многократно описанная топология силовых каскадов. В заключение мы перечислим основные параметры преобразователя:
- фиксированное выходное напряжение в режиме ШИМ-управления: 10,4 В;
- линейная регулировочная харатеристика:17 мВ;
- нагрузочная регулировочная характеристика: 5 мВ;
- порог срабатывания защиты от провалов входного напряжения (тип.): 32 В;
- выходная мощность (макс.): 260 Вт;
- выходной ток (макс.): 25 А;
- надежность (MTBF): 11,8 млн ч;
- КПД: до 96,1%;
- электрическая прочность изоляции: 2250 В;
- диапазон рабочей температуры: –40…125°C;
- размеры: 33,02×22,86×11,30 мм.