利用全新DBx模块提升开关电源的输出性能

引言

六十多年来，开关电源一直是电力转换行业的核心产品，在解决早期电力处理技术所存在问题的同时，也带来了新的挑战。随着半导体开关器件的不断改进——例如宽禁带器件的应用——功率密度和效率均得到了显著提升。理想的电源应具备零输出阻抗、零电磁干扰（EMI）、零输出纹波、无级控制、零温漂、零体积和零成本。线性电源产生直流电压时无需高频开关，具有极低的输出纹波，并可实现无级模拟控制。线性电源通过串联调整功率器件来控制和消耗功率，更接近理想电源的特性，但代价是显著增加的功率损耗。尽管如此，线性电源仍然具有市场需求，尤其是在对输出性能要求较高的应用场合。

某些特殊应用既需要开关电源所提供的高功率和高效率，又需要线性电源的高性能表现。传统上，较高功率的线性电源采用混合拓扑结构，由晶闸管预稳压器和线性稳压器共同构成。位于主变压器一次侧的晶闸管限制了二次侧线性稳压器上的压降。晶闸管预稳压器的周期限制开关特性严重制约了设计的瞬态响应能力。50/60 Hz隔离变压器与开关电源相比需要更大的占地面积。本文提出了另一种混合技术，能更好地弥合开关电源与线性电源之间的差距，在高功率条件下提供增强的输出性能。

基本概念

对晶闸管预稳压器的一个显而易见的改进方案是采用开关电源，利用其更小的磁性元件和更快的瞬态响应时间；但这些改进是以增加EMI为代价的。通过提高开关频率，可以降低串联调整功率器件上的电压，从而最大限度地减小线性稳压器输入端的纹波。典型的开关电源在1000 Vdc及以下输出电压时，输出电压纹波小于0.5 Vrms。在1伏范围内工作的线性稳压器，其效率可与标准开关电源相当。此外，开关电源预稳压器产生的EMI需要被有效滤除。

Magna-Power没有为这些应用提供超专业化的产品，而是选择在其标准化的开关模式可编程直流电源基础上，开发一款全新的附加模块来提升产品的性能指标，使其接近线性电源的水平。这款新产品即DBx模块，如图1所示，包含用于最小化低频输出纹波的输出线性稳压器、差模和共模EMI滤波器以及增强型控制方案。该附加模块使高功率开关电源能够表现出更接近高功率线性电源的特性。DBx模块的控制方案将开关电源的输出设置为高于期望输出约1 Vdc，以使线性稳压器能够有效减小低频输出纹波。

对于闭环控制——假设采用数字系统——需要高分辨率的数模转换器和模数转换器。使用18位转换器，如果周围的模拟电路具有相似的精度，则可实现4 ppm的设定点精度。通过热稳定技术可进一步提高精度，使输出电压在合理的环境温度范围内调节精度优于25 ppm。

输出滤波器

开关电源因产生EMI而广为人知。差模线间EMI由功率器件的通断开关以及高频谐波电流流过非理想输出电容阻抗所产生。共模线对地EMI则由流经输出二极管与散热器接地电容接口以及变压器输出绕组对地电容的电流所产生。虽然输入线路滤波器通常不用于电源输出端，但这类滤波器仍然能够发挥有效作用。

图2a和图2b展示了6000 W直流电源产生的典型差模和共模噪声。扫描图中有若干区域显示出EMI的产生，这在该功率范围的产品中属于正常现象。虽然通常不作为EMI研究的一部分，但在接近直流的频段存在较高水平的信号。这是对交流输出纹波电压的测量结果。

图3a和图3b展示了相同的测试配置，但连接了DBx模块。对比两组扫描图可以发现，安装DBx模块后在1 MHz以下出现了一组谐波。这些频谱分量来源于DBx模块内部用于为控制电路供电的开关电源。更值得关注的是，未安装DBx模块时低频谐波的幅度明显更大。这一降低是输出纹波电压减小的结果，将在下一节中详细讨论。

表1以插入损耗的形式展示了DBx模块的EMI滤波器性能——这是评估输入EMI滤波器的常用方法。

线性稳压器

输出滤波器设计的主要挑战在于抑制低频谐波。输出纹波电压可向下延伸至电网频率。对于这些较低频率，由于高功率条件下所需的磁性元件尺寸，无源LC滤波器并不实用。如果注意保持串联调整功率半导体上较低的直流压降，线性稳压器可以有效抑制低频纹波。

图4展示了1.25 V线性稳压器的框图及相关电路。如图所示，该稳压器需要两个反馈环路：一个用于维持线性稳压器上1.25 V的直流压降，另一个用于在串联调整功率半导体上产生与输入端交流纹波电压大小相等、方向相反的交流纹波抵消电压。在稳压器两端并联几个串联二极管可提供电流浪涌和过压瞬态保护——这是传统线性稳压器的薄弱环节。

图5a和图5b分别展示了未使用和使用DBx Module线性稳压器时纹波电压的典型衰减情况。可以观察到，部署线性稳压器后，低频分量消失。DBx Module将纹波电压从55 mV降低至3.2 mV，即衰减24.7 db。

控制器

要获得精确的高精度性能，闭环控制电路中需要温度稳定的优质元件，包括：电压基准、高分辨率模数转换器、零磁通电流传感器以及低温度漂移电阻器。即使采用最先进的元件，0.5 ppm/°C的微小温度系数在25°C范围内也会产生12.5 ppm的偏差。为减少这种温度变化，需要一个温控腔室来封装温度敏感元件。将关键部件紧密封装并保持热耦合，可加快腔室温度稳定所需的时间；其温度变化不应超过1°C。

图6展示了MagnaDC电源与DBx Module的接口连接。DBx Module的控制输出馈入电源的模拟输入端。电源的功率输出馈入DBx Module的直流输入端。负载连接至DBx Module的输出直流母线。

如需了解完整的系统性能规格，请参阅DBx Module产品页面。

结论

本文介绍了一种新型混合技术，该技术融合了开关电源和线性电源的最佳特性。开关电源将输出调节至比期望输出设定点高约1 V，以保持线性稳压器中串联通路半导体上的低压降。串联通路半导体受控消除开关电源产生的输出电压纹波。电源输出端的滤波器可降低开关电源产生的电磁干扰。采用高性能温度稳定元件，确保输出在宽温度范围内保持恒定。这款新型机架式模块设计为可与标准开关电源配套使用。