使用 DBx 模組改善可程式直流電源的輸出性能

簡介

直流電源在電力轉換產業中已成為主流超過六十年，解決了舊有電力處理技術所面臨的一些問題，同時也帶來了新的挑戰。隨著半導體開關的不斷改進——例如寬能隙元件的應用——功率密度和效率都得到了提升。理想的電源應具有零輸出阻抗、零電磁干擾 (EMI)、零輸出漣波、無級控制、零溫度漂移、零物理尺寸和零成本。線性電源產生直流電壓，沒有高頻開關，具有極低的輸出漣波，並能產生無級類比控制。線性電源透過串聯調整功率元件來控制和耗散功率，這更接近理想電源，但代價是顯著更高的功率損耗。儘管如此，線性電源仍然有需求，特別是在需要更好輸出性能的場合。

專業應用需要開關電源提供的高功率和高效率，以及線性電源的高性能。歷史上，高功率線性電源採用了混合拓撲結構，結合了閘流體預穩壓器和線性穩壓器。位於主變壓器初級側的閘流體限制了次級側線性穩壓器上的電壓降。閘流體預穩壓器的週期限制開關嚴重限制了設計的瞬態響應。與開關電源中的變壓器相比，50/60 Hz 隔離變壓器需要更大的佔用空間。本文提出另一種混合技術，它能更好地彌合開關電源和線性電源之間的差距，在高功率下提供增強的輸出性能。

基本概念

閘流體預穩壓器的一個明顯改進是使用開關電源，它具有更小的磁性元件和更好的瞬態響應時間；這些改進的代價是增加了 EMI。透過更高頻率的開關，可以透過降低串聯調整功率元件上的電壓來最小化線性穩壓器輸入端的漣波。對於 1000 Vdc 輸出及以下的開關電源，典型的輸出電壓漣波小於 0.5 Vrms。1 伏特範圍內的線性穩壓器將具有與標準開關電源相同等級的效率。此外，開關電源預穩壓器產生的 EMI 需要有效濾波。

Magna-Power 並未為這些應用提供高度專業化的產品，而是選擇使用其標準化的開關模式可程式直流電源，並搭配一個新的附加模組，以提升產品的性能規格，使其接近線性電源的水平。新產品稱為 DBx 模組，如圖 1 所示，它包含一個輸出線性穩壓器以最小化低頻輸出漣波、差模和共模 EMI 濾波器，以及一個增強的控制方案。這個附加模組使高功率開關電源的行為更像高功率線性電源。DBx 模組的控制方案將開關電源的輸出設定為比所需輸出高約 1 Vdc，以使線性穩壓器能夠最小化低頻輸出漣波。

Figure 1. The 1U DBx Module

對於閉迴路控制——假設是數位系統——需要高解析度數位類比轉換器和類比數位轉換器。如果周圍的類比電路具有相似的精度，則使用 18 位元轉換器可以實現 4 ppm 的設定點精度。透過熱穩定進一步提高了精度，在合理的環境溫度範圍內，輸出電壓的穩定度可保持在 25 ppm 以下。

輸出濾波器

開關電源以產生EMI而聞名。差模線對線EMI是由功率器件的開關動作以及高頻諧波電流流經非理想輸出電容器阻抗而輻射的。共模線對地EMI是由電流流經輸出二極管與散熱器接地電容以及變壓器輸出繞組電容與地之間的介面而產生的。雖然輸入線濾波器通常不應用於電源輸出，但這種類型的濾波器仍然有效。

 

 

圖2a. 未安裝DBx模組時，92 V和74 A電阻負載下的差模輸出電壓

圖2b. 未安裝DBx模組時，92 V和74 A電阻負載下的共模輸出電壓

圖3a. 安裝DBx模組時，92 V和74 A電阻負載下的差模輸出電壓

圖3b. 安裝DBx模組時，92 V和74 A電阻負載下的共模輸出電壓

 

圖2a和圖2b展示了6000 W直流電源發出的典型差模和共模雜訊。掃描中顯示了產生EMI的區域，這對於此功率範圍內的產品來說是典型的。雖然通常不屬於EMI研究的一部分，但在接近直流的頻率下存在高電平信號。這是交流輸出紋波電壓的測量。

圖3a和圖3b展示了相同的測試設置，但連接了DBx模組。比較兩組掃描，在安裝DBx模組後，在1 MHz以下存在一個諧波頻帶。這些頻譜成分是由於DBx模組中用於為控制電路供電的開關電源所產生的。更重要的是，在未安裝DBx模組的設置中發現的較低頻率諧波的幅度。這種降低是輸出電壓紋波電壓的結果，這將在下一節中討論。

表1展示了DBx模組的EMI濾波器在插入損耗方面的性能——這是一種評估輸入EMI濾波器的常用方法。

Table 1. Insertion Loss Differential and Common Mode Filter

Frequency	0.05	0.15	0.5	1	10	30
Differential Mode (dB)	41	58.7	46.3	62.7	55.1	50.5
Common Mode (dB)	30	47	57.4	67.6	56.4	25.4

 

Linear Regulator 線性穩壓器

輸出濾波器設計的主要挑戰是抑制較低頻率的諧波。輸出紋波電壓可以延伸到市電頻率。對於這些較低的頻率，無源LC濾波器不實用，因為在高功率下所需的磁性元件尺寸較大。如果注意保持串聯通電功率半導體上的直流電壓降較低，則可以實現線性頻率紋波。

圖4顯示了1.25 V線性穩壓器的方塊圖和相關電路。如圖所示，穩壓器需要兩個回饋迴路：一個用於維持線性穩壓器上的1.25 V直流壓降，另一個用於在串聯通電功率半導體上產生與輸入端交流紋波電壓相等且相反的交流紋波消除電壓。在穩壓器上串聯幾個二極管可以為電流浪湧和過壓瞬變提供保護——這是傳統線性穩壓器的一個弱點。

 

 

Figure 4. Low-voltage linear regulator block diagram

圖5a和圖5b顯示了有無DBx模組線性穩壓器時紋波電壓的典型衰減。觀察到，隨著線性穩壓器的部署，較低頻率消失了。DBx模組將紋波電壓從55 mV降低到3.2 mV，即衰減24.7 dB。

 

Figure 5a. Typical attenuation characteristics without the DBx Module connected

Figure 5b. Typical attenuation characteristics with the DBx Module connected

 

Controller 控制器

要獲得準確和精密的性能，閉環控制電路中需要溫度穩定的優質元件，即：電壓參考、高解析度類比數位轉換器、零磁通電流傳感器和低溫漂電阻。"""即使採用最先進的組件，0.5 ppm/°C 的微小溫度係數也會導致 25°C 範圍內產生 12.5 ppm 的偏差。為了減少這種溫度變化，需要一個溫控隔間來封裝對溫度敏感的組件。將關鍵部件緊密包裝並保持熱接近可加速隔間溫度穩定所需的時間；其變化不應超過 1°C。

圖 6 顯示了 MagnaDC 電源與 DBx 模組的介面連接。DBx 模組的控制輸出饋入電源的類比輸入。電源的功率輸出饋入 DBx 模組的直流輸入。負載連接到 DBx 模組的輸出直流匯流排。

 

Figure 6. Wrap around system control configuration

 

結論

本文介紹了一種新的混合技術，該技術整合了開關電源和線性電源的最佳特性。開關電源的調節電壓比所需的輸出設定點高約 1V，以維持線性穩壓器中使用的串聯半導體的低電壓。串聯半導體受控以消除開關電源產生的輸出電壓紋波。電源輸出端的濾波器可減少開關電源產生的 EMI。採用高性能、溫度穩定的組件，以在寬溫度範圍內保持輸出恆定。新的機架式模組設計用於與標準開關電源配合使用。

 

 

Originally published by Magna-Power Electronics