汽車、小型電動(dòng)汽車 (EV) 、無繩工具和充電站對(duì)電源的要求越來越高，推動(dòng)了向 48 V 電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。這些系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是效率高、損耗低、體積小和重量輕。所有這些電源系統(tǒng)將 48 V 總線提供的電源轉(zhuǎn)換成可用電壓，但需要使用電源轉(zhuǎn)換器。
電源轉(zhuǎn)換器使用開關(guān)電源技術(shù)，將 48 V 直流電轉(zhuǎn)換為選定的電壓。Texas Instruments 的 UCC28251PWR 便是這方面的一款典型 48 V 轉(zhuǎn)換器，該器件基于半橋配置型電源開關(guān)器件，如場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) ，如圖 1 中的 Q1 和 Q2。這些器件通過脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 控制器控制，以產(chǎn)生、調(diào)節(jié)所需的輸出電壓。
圖 1：典型的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器使用 PWM 控制器驅(qū)動(dòng)半橋配置型功率 FET�？刂破髡{(diào)節(jié) FET 輸入端的脈沖寬度，以產(chǎn)生輸出端的所需電壓 (VOUT) 并進(jìn)行調(diào)節(jié)。（圖片來源：Texas Instruments）
在該電路中，場(chǎng)效應(yīng)管 Q1 和 Q2 構(gòu)成半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這兩個(gè)受控器件交替導(dǎo)通，以驅(qū)動(dòng)變壓器。場(chǎng)效應(yīng)管 Q3 和 Q4 是同步整流器，將變壓器次級(jí)的開關(guān)波形轉(zhuǎn)換為直流。同步整流器消除了與半導(dǎo)體整流器相關(guān)的串聯(lián)壓降，從而提高了效率。這些整流 FET 必須與初級(jí)電源開關(guān)器件同步驅(qū)動(dòng)。
逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以替代上述器件，這種結(jié)構(gòu)包括由四個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的全橋或“H”橋電路，或用于三相轉(zhuǎn)換器的六個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管級(jí)聯(lián)全電橋電路。所有這些技術(shù)都使用一對(duì)或多對(duì)功率器件。成對(duì)器件串連，就像圖 1 中的場(chǎng)效應(yīng)管。
但是，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都存在兩個(gè)關(guān)鍵問題。第一個(gè)問題是，決不允許高壓側(cè) (Q1) 和低壓側(cè) (Q2) 的開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通。否則，48 V 總線和接地之間會(huì)出現(xiàn)短路。這種情況被稱為擊穿，并且通常會(huì)損壞電源開關(guān)。通過獨(dú)立控制每個(gè)電源器件的開關(guān)時(shí)間，可以防止擊穿。其目標(biāo)是讓激活器件在非激活器件導(dǎo)通之前關(guān)斷。
這兩個(gè)事件（導(dǎo)通和關(guān)斷）之間的延遲被稱為初級(jí)空載時(shí)間�？蛰d時(shí)間是通過比較在最大控制器脈沖寬度下，高壓側(cè)和低壓側(cè) FET 的門極至源極電壓 (VGS) 的轉(zhuǎn)換時(shí)間來測(cè)量的（圖 2） 。兩組轉(zhuǎn)換之間的延遲就是空載時(shí)間。
圖 2：初級(jí)空載時(shí)間是通過比較在最大控制器脈沖寬度下、高壓側(cè)和低壓側(cè) FET 的 VGS 轉(zhuǎn)換時(shí)間來測(cè)量的。兩組轉(zhuǎn)換之間的延遲就是空載時(shí)間。在這個(gè)例子中，空載時(shí)間是1.498 ns 和 1.166 ns。（圖片來源：Art Pini）
在圖 2 中，低壓側(cè) FET (VGS LO) 關(guān)斷和高壓側(cè) FET (VGS Hi) 導(dǎo)通之間的延遲是1.498 ns。另一種情況是，在高壓側(cè)場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷和低壓側(cè)場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通期間，延遲為 1.166 ns。如果這兩個(gè)測(cè)量的延遲都為正，空載時(shí)間是可以接受的。注意，測(cè)量是在 PWM 控制器輸出的最大脈寬下進(jìn)行的。
在空載時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)器件都沒有導(dǎo)通；這就構(gòu)成了“空載”損失。像所有損失一樣，將其保持在最低限度變得越來越重要。
第二個(gè)關(guān)鍵問題是協(xié)調(diào)同步整流器的工作和初級(jí)開關(guān)動(dòng)作。
圖 1 所示的 UCC28251PWR 控制器可以控制半橋或全橋電路，并提供柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)和具有可設(shè)置延遲的同步整流器輸出。UCC28251PWR 控制初級(jí)側(cè)的空載時(shí)間，還包括逐周期過流保護(hù)。初級(jí)輸出和次級(jí)同步整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的延遲（稱為初級(jí)空載時(shí)間）可通過兩個(gè)外部電阻器單獨(dú)設(shè)置。
PWM 控制器搭配使用初級(jí)側(cè)半橋柵極驅(qū)動(dòng) IC——Texas Instruments UCC27210DDAR。這款 IC 驅(qū)動(dòng)半橋配置中的兩個(gè) N 溝道 FET 的柵源級(jí)輸入。由于自身的固有傳播延遲，即 18 ns（典型值），該器件會(huì)影響初級(jí)側(cè)的空載時(shí)間。通過匹配兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)輸出之間的延遲，可以將傳播延遲問題最小化。UCC27210DDAR 柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 的輸出在 2ns 內(nèi)完成匹配。具有類似時(shí)序特性的同系列柵極驅(qū)動(dòng)器用來驅(qū)動(dòng)同步整流 FET。
總結(jié)
遷移到 48 V 系統(tǒng)在效率、尺寸和重量方面具有天然優(yōu)勢(shì)，但設(shè)計(jì)者需要了解空載時(shí)間原因以及如何將其降至最小。如圖所示，特種 IC 具有保障 48 V 電源轉(zhuǎn)換器正常工作的必要功能。這類 IC 控制初級(jí)和次級(jí)空載時(shí)間，消除了半橋和全橋電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中可能存在的主要問題。 |
