深度解析電源轉換器和測試

在最近幾年中，我們見證了電力電子的重要性迅速增長?？梢酝ㄟ^查看當前趨勢來解釋。在全球變暖和環境污染等社會挑戰的推動下，綠色能源和替代能源等技術主題備受關注。高效，可靠的電源轉換器是這兩個主題的中心。此外，移動性的不斷提高和無線物聯網設備的數量不斷增長導致電池供電的設備越來越多，因此對高效電源管理的需求也隨之增加。最后，不斷增長的數據流量是導致數據中心數量增加的原因。數據中心消耗大量電能。一部分是為所有服務器組供電，但也有大量資金用于制冷和空調。因此，功率轉換器的效率越高，散熱量就越低，所需的冷卻量也就越少。上述所有的發展和變化都對優化的功率轉換器提出了很高的要求。主要要求是最高的效率和較低的成本，以及小尺寸和輕重量。

電源轉換器和測試

要回答有關如何滿足所有這些要求的問題，我們首先需要討論電源轉換器的技術基礎結構。圖1顯示了下變頻器的典型核心電路。高端和低端半導體“開關”（此處為MOSFET）成行連接。該控制由門控制電路或集成芯片完成。時序圖顯示兩個開關的開/關周期彼此相反。結果，電橋電壓在零和電源電壓之間切換。通過電感得到的電流是通過輸出電容的充電/放電電流。通過改變開/關周期的占空比，可以控制充電和放電電流以及隨后在輸出電容上的相應輸出電壓。

圖1：下變頻器的典型核心電路

從這里開始，可以討論滿足效率，尺寸，重量和成本要求所需的設計挑戰。那么，怎樣才能達到更高的效率呢？第一種選擇是選擇最合適的拓撲。根據應用程序的類型，有更好或更壞的解決方案。第二種選擇是使用現有最好的半導體。新的半導體材料已經進入市場。最著名的是寬帶隙材料（WBG），例如碳化硅（SiC）或亞硝酸鎵（GaN）。兩者都具有較低的損耗（開關/導通），較高的耐??壓性并支持更快的開關頻率。但是，隨著它的不斷發生，沒有什么是免費的。顯然，新的和現代的半導體可能與降低成本的要求相抵觸。但是從第二種觀點看，那里沒有真正的沖突。與成熟的硅基MOSFET相比，SiC / GaN器件確實更昂貴，但是節省成本的潛力在于它們允許使用越來越少的組件或散熱器。另一個挑戰是缺乏使用SiC和GaN的經驗，這可能會導致設計周期中的問題（例如，不穩定性）。同樣，較高的開關頻率是產生EMC輻射的絕佳來源，這至關重要，因為最終存在產品必須遵守的標準。另一個挑戰是缺乏使用SiC和GaN的經驗，這可能會導致設計周期中的問題（例如，不穩定性）。同樣，較高的開關頻率是產生EMC輻射的絕佳來源，這至關重要，因為最終存在產品必須遵守的標準。另一個挑戰是缺乏使用SiC和GaN的經驗，這可能會導致設計周期中的問題（例如，不穩定性）。同樣，較高的開關頻率是產生EMC輻射的絕佳來源，這至關重要，因為最終存在產品必須遵守的標準。

如果產品是為可穿戴設備市場設計的，則必須滿足更小尺寸和更輕重量的要求，無論是無人機還是汽車，更輕的重量也是運輸電氣化的重要規范。新的WBG交換機也可以在此處提供解決方案，但是如上所述，這帶來了EMC。確?？煽啃院头€定性，EMC合規性，滿足成本和空間以及連接T＆M設備的能力是最相關的挑戰。

另一個有趣的問題是：我們仍然需要進行測量還是模擬可以使測試過時？的確，不能忽視仿真軟件和模型的最新發展和改進以及計算機性能的提高，但最終，每次仿真都只能與模型和所提供的數據一樣好。無源組件就是一個例子。通常，無源組件的規格會隨用例而變化。例如，陶瓷電容器在不同的偏置電壓下具有不同的容量，或者線圈的電感隨電流而變化。多數時候，組件數據表并不代表這一點。實際使用情況的頻率未提供ESR，ESL或AC電阻。因此，有必要在實際條件下測量組件，然后才能將其輸入到仿真工具中。此外，還有必備測試，例如EMC合規性和可靠性測試。另外，最終產品的性能規格（如功耗，動態響應）需要通過測量來證明。

最后，讓我們看一下最常見和最重要的度量。出于教學上的原因，我們可能從動態響應的測量開始，這通常是在開發過程的稍后階段完成的，但是它清楚地表明了如果設計不正確會發生什么情況。在測量負載階躍響應期間，負載電流會在最大電流的10％到90％之間變化。與電流平行，將測量輸出電壓。圖2的頂部顯示了密集振鈴。在進行EMC測試時，這可能是個問題。如圖所示，振蕩表明設計的穩定性不足，并在反饋回路出現問題。為了獲得更多的見解，下一步應該是在Bode圖的幫助下測量環路響應并確定相位和增益裕度。所有Siglent X系列示波器都具有此功能，并且使測試變得容易且負擔得起。優化設計并增加相位裕度后，負載階躍響應的結果看起來就像圖片的底部一樣（圖2）。

圖2：階躍響應

為了實現優化設計并在給定時間內完成所有操作，建議盡早開始測量。理想情況下，第一個任務應該是優化內部“核心”，即切換階段。在這里，正確的布局對于避免由LC諧振（CDS / Ltrace）引起的高頻振鈴至關重要。此外，高端和低端切換之間的停滯時間必須適當。如果過緊，則會發生短路；如果過長，則會降低效率。

結論

電力電子技術的復興是當前市場趨勢的結果。高效，可靠的電源轉換器已成為許多設計中的關鍵部分。新的半導體材料做出了貢獻，為設計工程師帶來了新的可能性，但同時也帶來了新的挑戰。為了獲得見解并能夠從設計中獲得最大收益，仍然有必要進行大量測量。Siglent在過去的幾年中擴展了其測量設備，現在可以提供廣泛的產品來幫助工程師解決任務。

編輯：hfy