利用非隔离总线转换器提高设计性能与降低成本

传统上，在分布式架构中，总线转换器提供隔离的中间总线电压，为系统板上的各种负载点(POL)稳压器供电。这种架构在许多应用中很常见，包括ATE，服务器，电信系统和工业控制。虽然使用隔离总线转换器有许多优点，但也存在一些缺点。除了增加转换器的成本外，用于隔离的高功率变压器还会降低转换器的效率和功率密度。更重要的是，多个低功率转换器通常并联以实现所需的高功率，从而导致更高的成本，更低的效率和功率密度，以及降低的系统可靠性。

然而，有许多应用不需要或不需要这种电流隔离的地方。汽车是其中之一，特别是汽车制造商采用48 V电池来保持足够的能量。此48 V进一步转换为12 V <小> DC ，为汽车中的多个电气系统供电。根据Vicor的白皮书 “使用新型非隔离总线转换器重新构建48 V电源系统”，在此应用中无需隔离。

非隔离总线转换器可以工作的另一个应用是电信。 Vicor公司系统工程总监Maurizio Salato表示，传统的-48 V系统现在已被+48 V总线电压取代，因此不需要在电池和电子功能之间进行隔离。简而言之，在许多这些应用中，系统电源电压很好地隔离。结果，不再需要另一层隔离。用非隔离双向DC/DC总线转换器代替中间总线转换器可以通过双向启动和控制以低成本同时提高效率和密度。

非隔离总线转换器

为了解决这个问题，Vicor开发了非隔离，固定转换比的双向总线转换器模块(NBM)，采用了新颖的变压器设计和称为正弦振幅转换器(SAC)的专有拓扑结构。与传统的带电流隔离的变压器不同，Vicor的自耦变压器可降低磁芯损耗并提供更高的转速比。传统上，总线转换器使用具有4：1转速比的隔离变压器。在Vicor的非隔离设计中，通过正确配置绕组连接将其重新配置为5：1自耦变压器，如图1所示。

 

 

图1：相比之下，非隔离自耦变压器提供更高的转换率。

该设计在NBM模块中使用基于专有变压器的串联谐振拓扑结构SAC实现(图2)。 SAC以固定频率工作，该固定频率等于初级侧储能电路的谐振频率。初级侧开关FET锁定到初级的固有谐振频率，并在零交叉时切换，消除了开关中的功耗(提高效率)并大大减少了高次谐波的产生(需要较少的滤波)。初级谐振回路中的电流是纯正弦曲线而非准正弦曲线(如前几代转换器所示)或方波(在更传统的硬开关转换器中可见)。这有助于大大降低谐波含量，并提供更清晰的输出噪声频谱。最后，根据Vicor的主要应用工程师Doug Ping的说法，“同步降压转换器等常见的非隔离转换器拓扑结构调整其占空比以响应输出负载的变化。这导致占空比限制。使用SAC拓扑的NBM产品反应通过振幅调制谐振回路中的正弦电流来加载负载，使其能够在短时间峰值负载浪涌的情况下在其额定输出电流上处理高达150%的电流。“

 

 

图2：正弦幅度转换器(SAC)是Vicor专有的基于变压器的串联谐振拓扑结构。

典型的高级框图采用SAC的NBM如图3所示。“由于初级侧电流的一部分在非隔离变压器设计中直接流向次级，而隔离式变压器，NBM将具有更高的输出电流/功率能力，然后采用类似的隔离设计，“解释说。 Ping补充说，输出电流/功率的增加意味着非隔离变压器设计NBM的成本降低了$/Amp($/Watt)。

NBM的另一个好处是双向启动和控制。这意味着NBM可以在正向(降压方向)或反向(升压方向)上启动并开始处理功率。例如，对于K = 1/5 NBM，可以在其输入侧以48 V施加输入功率，并且NBM将在其输出上产生9.6 V.然后，此配置中的功率流将从输入流向输出。此外，功率也可以施加到其输出侧9.6 V，NBM将在其输入端产生48 V电压。在这种情况下，NBM将从输出到输入反向处理电源。 Vicor公司产品营销总监Jeremy Steddom表示，无论功率流方向如何，启用/禁用和温度监控等控制功能都将起作用。

 

 

图3：Vicor非隔离双向总线转换器模块(NBM)的高级框图。

NBM性能

Per Steddom的解释，双向总线转换器的一些优点是：

防止在大型负载突降情况下可能发生的输出电压过冲

再生和/或电池备份应用

低电压到低压电力传输应用

在NBM模块中实施SAC以及自动变压器技术，Vicor已准备好可提供2000 W的NBM6123T60E12A7T0R当初级电压在36到60 V范围内工作时，NBM6123封装的功率为61 x 25.14 x 7.26 mm，峰值效率超过98%(图4)，具有前所未有的功率d功率密度高达3532 W/in。 3 。对于要求K = 1/3的应用，制造商已发布NBM6123T46C15A6T0R，其初级电压范围为36至46 V.

 

 

图4：相比之下，即使外壳温度很高，非隔离式NBM转换器也能提供更高的效率。此外，功率密度无与伦比。点击此处查看完整尺寸的图像。

根据Ping的说法，还有其他供应商提供可用于NBM应用的非隔离转换器(通常基于Buck拓扑)。但是，此类产品通常受到监管，其效率和输出功率能力远低于Vicor的NBM产品。