降低器件损耗的零电压开降压转换器

已知使用谐振拓扑结构的降压转换器可提供比基于传统脉冲宽度调制(PWM)或硬开关架构的电源更高的性能。尽管传统的高密度硬开关稳压器已经发展成为改进的半导体集成，低导通电阻MOSFET和先进的封装，但它们的设计已不再足以满足新的功率需求，这主要是由于其内部的开关损耗。稳压器MOSFET，随着开关频率或输入电压的增加而增加。

此外，传统降压调节器由于栅极驱动电路内的米勒电荷耗散而表现出更高的栅极驱动损耗。同样，由于反向恢复和长导通，高端MOSFET的体二极管导通会导致更高的功率损耗(图1)。因此，必须克服或大幅减少这些损失，以实现调节器性能的任何显着提升。此外，硬开关拓扑需要相对较大的输出电感，这会增加稳压器的尺寸和成本。

 

 

图1：在传统降压稳压器中，硬开关转换和体二极管反向恢复将高端MOSFET Q1暴露在非常高的导通损耗之下。

零电压开关的好处另一个更好的选择是使用零电压开关(ZVS)等谐振拓扑，这样可以在更高频率和更高电压下工作，而不会牺牲效率和尺寸。基于ZVS的稳压器也称为软开关稳压器。 ZVS降压稳压器拓扑的一些主要优势包括低导通损耗，理想整流器开关导致的体二极管导通时间可忽略不计，高输入电压保持高频工作，内部补偿简单 - 允许高带宽，增益和相位裕度 - 以及少量输出电容的快速瞬态响应。更重要的是，它提供最短20 ns的时间来支持非常高的转换率，并且由于高效率的偏置系统与脉冲跳跃相结合，可提供出色的轻载效率。

如图2所示，ZVS设计通过在高端MOSFET导通之前消除高电流体二极管导通来解决传统稳压器的高导通损耗，从而使漏极 - 源极电压达到高电平MOSFET的零点或接近零点，不产生高电流尖峰或损坏振铃。应用于Q1的ZVS动作在开启时消除了其米勒效应，允许使用更小的驱动器和更低的栅极驱动。

 

 

图2：软开关谐振ZVS架构几乎消除了开关损耗并消除了米勒的电荷效应。

另一方面，实现这种巧妙的拓扑结构以在DC/DC转换器中获得功率密度和转换效率方面的最大结果并非易事。它需要全面的知识和经验来构建基于谐振拓扑的电源，尤其是ZVS。多年来，Vicor工程师已经获得并展示了该领域的特殊技能，包括获得多项专利。

基于ZVS的降压稳压器

这一专业技术体现在电源制造商的新系列降压稳压器系列PI33xx上。基于ZVS的降压稳压器系列属于该公司的Cool-Power系列，可为负载点(POL)调节提供最大功率密度和高效率。为了将这种高性能DC/DC转换器封装在紧凑的表面贴装封装中，供应商将专利的ZVS拓扑与优化的功率半导体和无源元件相结合。此外，PCB基板上的布局经过优化，可实现高性能。

这些基于8，10和15 A ZVS的降压稳压器具有多种优势，包括更高的效率，更高的功率密度，以及有效降低更高输入电压的能力。 PI33xx系列的其他优点包括快速瞬态响应，使用单线电流共享交错稳压器的能力，遥测功能以及宽工作温度范围。由于PI33xx系列的成员与控制电路，功率半导体和支持组件高度集成，采用10 x 14 x 2.56 mm LGA系统级封装(SiP)封装，因此只需很少的外部元件。

PI3301的典型应用电路如图3所示。如图所示，PI33xx系列降压稳压器仅需一个外部电感和两个陶瓷电容，用于输入和输出滤波，以形成完整的高性能稳压器。无需频率补偿，参数设置或增量外部组件。 -40°至125°C的宽工作温度范围允许在几乎任何环境中使用。

 

 

图3：集成的ZVS降压稳压器仅需一个外部电感和两个陶瓷电容即可构成一个完整的高性能负载点稳压器。

PI33xx降压调节器可将8至36 V范围内的输入电压转换为1 V至16 V输出电压，输出电流最高可达15 A，输出功率可达120 W. PI3301的测量效率性能，如图4所示，对于高降压比，峰值性能超过93%。在这种情况下，PI3301用于在高达10 A的电流下将24 V输入转换为3.3 V输出。事实上，曲线显示ZVS稳压器可以从中负载到高负载持续提供超过90%的输出，并且低负荷时超过80%。与ZVS稳压器相比，高端硬开关常规稳压器的效率在相同的输入和输出电压下显着降低，在低负载时进一步显着下降。当输入电压达到36 VIN时，两种稳压器之间的性能差距会大大扩大。¹传统硬开关稳压器的效率下降可归因于高开关损耗。传统硬开关稳压器的退化可归因于高开关损耗。

 

 

图4：与传统降压稳压器相比，基于ZVS的PI3301表现出更高的效率在24 VIN和3.3 V输出电压下。

PI33xx系列稳压器的工作频率高达1.5 MHz，通常是传统高密度稳压器的三倍，也减小了无源元件的尺寸。此外，它减轻了外部滤波元件的负担，从而实现对线路和负载瞬态的快速动态响应。

通过使用单线电流共享交错PI33xx降压调节器，无需任何额外组件，即可进一步提高供电能力。产品数据表中提供了更多详细信息。

Vicor最近扩展了其产品组合，推出了针对12 V输入操作优化的PI34xx系列，在3.3 V输出和高达15 A输出电流时提供超过95%的峰值效率。该系列的输入范围为8至18 VIN，输出范围为1至6.5 V.此系列共有五个成员。

总之，与传统的硬开关稳压器相比，基于ZVS的软开关稳压器在更高的频率和输入电压下可显着提高效率，功率密度和瞬态响应，电源设计工程师可以近距离观察在拓扑和可用部分。