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如何「侵入」 您的 DC/DC 转换器 —第一部分

如何「侵入」 您的 DC/DC 转换器 —第一部分

2022/4/13 10:16:05

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「黑客」 通常是运用某些聪明而高超的技巧,以实现原本并没有打算达到的目的。然而对于DC/DC转换器这样基本的模块,该如何去 「侵入」呢?

本文将以隔离式栅极驱动器电源为例,展示四种可能的 DC/DC 转换器「侵入技巧」,以实现更多的应用。这些技巧是以 RECOM 的 RxxPxx 系列转换器为基础,该模块具有 6.4kVDC 基本隔离、工业工作温度范围和低隔离电容,因此特别适合为高压隔离式栅极驱动器的电路供电。

重要提醒:如在电子器件的标称规格操作范围之外使用,质量保证将失效。如果您决定执行以下任何一种解决方案,请提前联系制造商并征得他们的同意。

假设您有一个 SiC 晶体管应用需要大约 +15V 的正栅极驱动电压和大约 -4V 的负栅极关断电压才能以最低的开关损耗达到最佳性能(图 1)。

您查看制造商的规格书之后,发现具有这种特殊非对称输出电压组合的隔离 DC/DC 转换器的标准产品并不存在。接下来您可以做些什么?

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图 1:隔离式 SiC 晶体管栅极驱动器电路的简化示意图

技巧 #1:使用不符合规格的输入电压

在满载时低功率非稳压 DC/DC 转换器的输出/输入电压变化率通常为 Vin 的 1.2%/1%。换句话说,如果输入电压高于或低于标称值 10%,输出电压将提高或降低 12% 左右,因此任何输入电压的变化都会被放大。电压比随着负载降低呈线性提高,因此在 50% 负载下大约是 Vin 的 1.1%/1%,而在最小负载下则差不多一样 (1%/1%)。为了比较不同制造商的规格书,电子业已将非稳压转换器的线性稳压规范标准化,使电源电压的标准化变化不超过 ±10%。但如果输入电压设置在此范围之外会怎样?

答案是转换器仍可以工作,但不再保证性能会符合规格书中的数值。如果输入电压过低或过高,输出电压也会过低或过高也就是超出标称范围,但这在某些情况下可能很有用。下图(图 2)和测试结果(表 1)显示了使用 RECOM R-REF01-HB 评估板以 1MHz PWM 开关信号驱动 SiC MOSFET 时测得的电路电压:

   

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图 2:R12P22005D DC/DC 转换器供电给有源 SiC 晶体管栅极驱动器,转换器的规格为隔离+20/-5V 输出、标称 12V 输入(左)和 10.8V 电源(右),结果均在实际 60% 负载下测得。

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表 1:60% 负载下测量2W 非对称隔离式DC/DC 转换器 (R12P22005D) 的电源电压,分别为标称 12V、标称-10% 和超过标称-20% 

从这个技巧中可以看到将输入电压设定在标称值的 -20% (9.6V) 会得出所需的非标准输出电压,即使输入电压超出了规格书中的数值。

这个技巧可以用到什么程度? 我们一起来看看:

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表 2:60% 负载下测量2W 非对称隔离式DC/DC 转换器 (R12P22005D) 的标称和超标的欠压电源电压(线性调节 ≈ Vin 的 1.1%/1%)

另一个方向:

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表 3:60% 负载下测量2W 非对称隔离式DC/DC 转换器 (R12P22005D) 的标称和超标电源电压(线性调节 ≈ Vin 的 1.1%/1%)

我们可以看到即使输入电压远远超出规格书中 ±10% 限制,转换器也不会突然停止工作。

警告:在规定的输入电压范围之外运行转换器会增加内部元器件应力,因此可能无法呈现规格书所列的数值,例如效率、输出纹波和工作温度范围。如果输入电压非常低,此时增加输入电流可能会导致初级侧组件过热。如果输入电压过高,可能会超过内部电容器和晶体管的电压额定值。这两种超标情况都可能使输出电压随着环境温度或负载的变化而明显浮动,因此请谨慎使用此技巧!

为了更可靠地解决产生非标准 +15V/-4V不对称输出电压组合的问题,我们需要使用部分调节的电路:

技巧 2:只调节其中一个输出。

使用非对称输出 DC/DC 转换器的时候(例如 +15/-9V 标称输出的 RxxP21509D),如果一个输出电压正确,另一个就可以轻松地进行后调节至所需的输出电压。以我们的隔离式栅极驱动器电源为例,负轨输出电流低于正轨电流因此可以使用齐纳二极管和通用 NPN型双极晶体管稳压器来解决(图 3)。

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图 3:负轨稳压解决方案

该解决方案的优势是 DC/DC 转换器是在规格书的范围之内,因此性能和质量保证均不受影响,不降额即可在 -40°C 至 +85°C 的工业环境温度范围内正常运作。

此外,负轨现在已进行调节、保持固定且不受负载或输入电压变化的影响,可以选择不同的齐纳二极管电压来设置在范围内所需的电压。如果正轨比负轨更重要则可以使用相同的技巧来调节正轨(请见技巧#3)。

这个方式的缺点是调节后的轨电流会受到晶体管功耗的限制。在这个例子中,NPN 型晶体管需要下降大约 5V,这将限制它的最大平均负载电流为 -100mA(注意:栅极峰值充电/放电电流由输出电容器提供,因此只须考虑平均漏极电流)。

如果需要更大的输出电流而不引起过度热损耗,堆叠转换器将是更好的解决方法:

技巧 #3:堆叠转换器

栅极驱动器的平均功率取决于栅极驱动电压摆幅、晶体管的栅极电荷和开关频率。平均功率可以通过以下等式计算:

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因此举例来说,以较高的开关频率或驱动并联栅极来增加输出电流时需要更高的栅极驱动功率。由于示例中的栅极驱动电压是不对称的 (+15V/-4V),因此 Vgate 正摆幅需要比负摆幅更高的功率。当功率的消耗超出单个隔离 DC/DC 转换器所能负荷的时候可以使用两个不同的堆叠转换器来加以解决(图 4)。以下技巧在2W提供 +16V、0.7W提供 -5V:

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图 4:堆叠式 DC/DC 转换器

R12P209D 双输出 DC/DC 转换器在公共引脚断开的情况下使用,产生非稳压的 18V/222mA 电源。然后通过齐纳和 NPN型晶体管的组合调节至 +16V VDD 。由于 NPN 有两倍的电流且只需将两端的电压降低一半,晶体管的功耗与技巧#2的大致相同。

再者,栅极驱动器的非隔离初级侧的 5V 线性稳压器已被低成本 R-78E 开关稳压器模块所取代,能以高达 500mA 的电流提供 5V 电压。这为栅极驱动器初级侧和提供隔离 -5V 输出轨的 R05P05S DC/DC 转换器供电,这意味着 12V 电源电压的任何变化现在都在负轨中调节。使用调节过的电源供电给非稳压 DC/DC 转换器可提高整体系统性能,同时也是下一个技巧概念的基础:使用级联转换器。

技巧 #4:级联转换器

正如我们从技巧#1 中看到的,非稳压 DC/DC 转换器的输出电压可以通过调节输入电压来加以「调整」。如果需要可调的非对称隔离栅极驱动器电压,添加一个低成本、非隔离和前置稳压的 DC/DC 模块可以建立一个栅极驱动器电路且可以设在很宽的栅极电压范围之内。此技巧可运用在测试和检查哪种正负驱动电压组合可提供最高性能和最低损耗。之后可以安装固定电压微调电阻器来设定最有效的输出电压组合:

 

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图 5:可调的非对称输出隔离栅极驱动器电源

RPX-1.0 是一种特别有用的低成本 SMD DC/DC 模块,因为它提供了非常宽的输出电压调节范围 (0.8 – 30V) 以及出色的 1A 连续输出驱动电流。可以使用两个电阻器预设输出电压,或者如本技巧所示的使用微调电阻器。

与所有的技巧一样,在超出预期用途的情况下使用任何产品时请小心谨慎,即使 “如果一个蠢方法有效,那它就不是一个蠢方法” 的格言是对的。

如有任何疑问,请联系 RECOM 技术支持。我们可以测试解决方案并就您的特定应用的适用性提出建议。在批量生产方面我们可以改造标准转换器以提供任何所需的输入和输出电压组合,因此您的半定制解决方案可以享有完整的质量保证。

审核编辑(
王静
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