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具有双频控制的E类谐振升压DC/DC转换器

2023-03-16 14:47:59 Giovanni Di Maria 阅读:
Power Electronics News分析了一个以E类双频信号驱动运行的DC/DC升压转换器。

有许多不同类型的DC/DC转换器,每种都有独特的工作模式。本文中提出的是对一个在E类中运行的具有双频信号驱动的DC/DC升压转换器的分析。该解决方案能够在负载发生变化时调整输出功率。该电路最重要的特性之一是,它可以确保在所有工作条件下都有非常高的效率。本文研究的升压转换器允许输出的直流电压高于输入的直流电压,而且效率最高。AUsednc

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E类中的静态负载和动态负载

当E类转换器为一个精确估值的负载设计时,它无法控制调整输出参数。输出信号特性是固定的,并且始终在相同的条件下运行。另一方面,如果要使用不同的负载,则必须安排一系列控制来完美地调整输出信号。当输出阻抗发生变化时,电路的工作模式也会发生变化,信号的波形也会发生变化。效率并不总是恒定的,而是会根据所施加的负载类型而变化。使用E类转换器,可以获得在开关瞬间之前通过零点的特殊波形。这样一来,开关损耗就非常低。与传统转换器相比在E类转换器中,开关频率可以大大提高,甚至提高50倍,从而实现高效率。AUsednc

由于这方面的原因,电路尺寸可以保持较小,从而显著降低重量、面积和最终成本。EMI方面也大大减少。在正常开关操作中,电力电子开关会在很短的时间内中断电流,这会对电子元件造成很大的压力。它们必须同时承受高电压和高电流,造成巨大的功率耗散和压力,从而导致功率损失和效率低下。AUsednc

通过在转换器中采用谐振电路,可以对波形进行整形以创建零电压开关和零电流开关条件。通过降低功率损耗(理想情况下为零)、提高开关频率和消除瞬态尖峰,可以提高整体系统效率以实现极低的EMI。AUsednc

升压转换器中的双频控制

E类转换器通常用于单一负载情况,因为它们被设计为仅在特定工作条件下运行。通常,它们为特定类型的负载提供服务,在这种情况下,转换器以最高效率运行,只有一个最佳工作点。改变负载,电路的波形会发生变化,因而不再能保证最佳运行。负载的变化会导致系统效率急剧下降。AUsednc

为了解决这些问题,可以采用双频控制来调制输出电流,从而始终保证最佳的工作点,并将整个系统的效率保持在非常高的值。在开关转换器中,最关键的元件是电感器。幸运的是,在这个电路实现中,这些元件不必更换,采用两种不同的开关频率同样可以达到最佳工作点。如图1所示,在实施双频E类升压转换器时必须采取特定的预防措施。AUsednc

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图1:双频E类升压转换器的通用原理图AUsednc

可以在该电路中使用同样的电感器,而无需更换它们。相反,只需改变与电子开关并联的电容器的值,即可在两个频率下获得最佳工作点。只有当输出电流与晶体管开关频率的乘积保持恒定时,才能获得最大效率。该解决方案源自单频升压,其中没有交替连接和断开额外的一对电容器的电子开关。很容易看出,当此类开关器件导通时,它们允许并联额外的电容器以增大方案中已经存在的电容。该电路要求的另一个条件是,乘积必须保持不变,以保护在两个开关频率下的最大效率:AUsednc

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电路的工作

与只有一个工作频率的方案不同,这个方案有两个串联的开关,两个电容器分别标记为Cinv1和Crec1,从而可以改变总电容。如果开关闭合,则Cinv1和Crec1的电容分别添加到Cinv2和Crec2电容器。在这种情况下,转换器工作在较低的频率。另一方面,如果附加电容断开,则转换器工作在较高频率。请注意,附加开关是两个MOS晶体管。但是,与Cinv2串联的是N沟道,与Crec2串联的是P沟道。根据输入电压和负载条件,转换器以两种开关频率中的一种工作,有以下两种方式:AUsednc

  • 如果输入电压较高,或负载较轻,电路就会采用较高的开关频率,这样就可以降低谐振电感产生的通断损耗和导通损耗。
  • 当电压较低,或负载具有低阻抗时,电路采用最低的开关频率。

在设计阶段,必须选择转换器工作的输入和输出工作电压。同样,设计人员必须选择负载在两个频率下耗散的两个最大功率。有了这些,可以很容易地计算出两个支路INV和REC的电流。电感元件的确定非常微妙,因为它还必须考虑所涉及的两个频率。图2中的图形显示了电子开关漏极和源极之间的电压V(D,S)和二极管阴极和阳极之间的电压V(K,A)的波形。AUsednc

应遵循以下步骤,以在两个选定频率下获得两个良好的工作条件。通常情况下,最好一个频率是另一个频率的两倍:AUsednc

  • 选择输入电压和输出电压。
  • 确定所涉及的两个频率的最大相对功率。
  • 计算相对电流。
  • 选择电感器并确定两个频率下各自的q值。
  • 计算开关损耗。
  • 通过稍微调整元件值来优化结果。

元件的第一次大小调整是在给定的频率下完成的;然而,第二次调整大小的频率是原来的两倍。再次计算开关损耗,最后进一步优化。这远非一个简单的程序。AUsednc

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图2:在较低频率下工作的电路中电压V(D,S)和V(K,A)的波形图AUsednc

设计良好的电路会产生非常高的效率,前面检查的两个电压的峰值并不重要,市场上大多数设备都支持。平均输出电流的值相当于IREC的平均电流。设计电路时必须考虑与电抗元件(电容器和电感器)串联的寄生电阻元件。这些寄生电阻会随频率发生变化;实际上,它们在高频下更有意义。要使单个电路工作在两个频率下,需要将两个等效设计组合起来,实现一个可以工作在两个频率下的E类升压转换器。AUsednc

如前所述,如果与电容Cinv1和Crec1串联的两个开关断开,则电路可以工作在更高的频率。相反,如果这些电子开关闭合,则电路以较低频率运行。因此,在这样的频率下,随频率本身而变化的寄生电阻的存在是不可避免的。就电容器而言,此类电抗将是最小的,而对于电感器,由于其低Q值,它们可能会达到重要的值。AUsednc

在图3中,与V(D,S)电压相关的波形图上有一个小台阶,就在电子设备打开并进入导通的瞬间。这个台阶不能完全消除,并且会导致开关耗散的功率非常小的增加,这是完全可以接受的并且微不足道的。AUsednc

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图3:晶体管开关期间V(D,S)信号上形成一个非常小的台阶,这是完全可以接受的。AUsednc

结论

实验结果表明,采用这种双频方法,转换效率至少提高了6%到7%。通过执行良好的分析和设计,电路的运行符合计划,实现其预期目标。比较MOSFET和二极管两端在两个开关频率下的电压波形,以验证系统的效率是很有意思的。分析流经LINV和LREC电感器的电流也很有用。AUsednc

图4中的波形图分别显示了电子开关的激活脉冲及其在两个半导体元件末端的两个信号(上面的前两个波形图)。另外两个波形图(底部)分别显示了电子开关的激活脉冲及其在两个半导体元件末端的两个信号(双倍频率下)。第二种工作模式使用两倍的频率和一半的负载电流。在如此高的频率下,这些结果通常无法通过传统解决方案实现。AUsednc

E类DC/DC转换器极其复杂和关键,但它们通过允许驱动不同性质和阻抗的负载提供了巨大的好处。通过特殊布置和大量电路修改,加之系统复杂性呈指数增长,DC/DC转换器也可以针对三种类型的负载实施。AUsednc

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图4:两种工作频率下的波形图AUsednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:Resonant Boost DC/DC Converter in Class E with Dual-Frequency Control,由Ricardo Xie编译。)AUsednc

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责编:Ricardo
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