深度解析电源转换器和测试

在最近几年中，我们见证了电力电子的重要性迅速增长。可以通过查看当前趋势来解释。在全球变暖和环境污染等社会挑战的推动下，绿色能源和替代能源等技术主题备受关注。高效，可靠的电源转换器是这两个主题的中心。此外，移动性的不断提高和无线物联网设备的数量不断增长导致电池供电的设备越来越多，因此对高效电源管理的需求也随之增加。最后，不断增长的数据流量是导致数据中心数量增加的原因。数据中心消耗大量电能。一部分是为所有服务器组供电，但也有大量资金用于制冷和空调。因此，功率转换器的效率越高，散热量就越低，所需的冷却量也就越少。上述所有的发展和变化都对优化的功率转换器提出了很高的要求。主要要求是最高的效率和较低的成本，以及小尺寸和轻重量。

电源转换器和测试

要回答有关如何满足所有这些要求的问题，我们首先需要讨论电源转换器的技术基础结构。图1显示了下变频器的典型核心电路。高端和低端半导体“开关”（此处为MOSFET）成行连接。该控制由门控制电路或集成芯片完成。时序图显示两个开关的开/关周期彼此相反。结果，电桥电压在零和电源电压之间切换。通过电感得到的电流是通过输出电容的充电/放电电流。通过改变开/关周期的占空比，可以控制充电和放电电流以及随后在输出电容上的相应输出电压。

图1：下变频器的典型核心电路

从这里开始，可以讨论满足效率，尺寸，重量和成本要求所需的设计挑战。那么，怎样才能达到更高的效率呢？第一种选择是选择最合适的拓扑。根据应用程序的类型，有更好或更坏的解决方案。第二种选择是使用现有最好的半导体。新的半导体材料已经进入市场。最著名的是宽带隙材料（WBG），例如碳化硅（SiC）或亚硝酸镓（GaN）。两者都具有较低的损耗（开关/导通），较高的耐​​压性并支持更快的开关频率。但是，随着它的不断发生，没有什么是免费的。显然，新的和现代的半导体可能与降低成本的要求相抵触。但是从第二种观点看，那里没有真正的冲突。与成熟的硅基MOSFET相比，SiC / GaN器件确实更昂贵，但是节省成本的潜力在于它们允许使用越来越少的组件或散热器。另一个挑战是缺乏使用SiC和GaN的经验，这可能会导致设计周期中的问题（例如，不稳定性）。同样，较高的开关频率是产生EMC辐射的绝佳来源，这至关重要，因为最终存在产品必须遵守的标准。另一个挑战是缺乏使用SiC和GaN的经验，这可能会导致设计周期中的问题（例如，不稳定性）。同样，较高的开关频率是产生EMC辐射的绝佳来源，这至关重要，因为最终存在产品必须遵守的标准。另一个挑战是缺乏使用SiC和GaN的经验，这可能会导致设计周期中的问题（例如，不稳定性）。同样，较高的开关频率是产生EMC辐射的绝佳来源，这至关重要，因为最终存在产品必须遵守的标准。

如果产品是为可穿戴设备市场设计的，则必须满足更小尺寸和更轻重量的要求，无论是无人机还是汽车，更轻的重量也是运输电气化的重要规范。新的WBG交换机也可以在此处提供解决方案，但是如上所述，这带来了EMC。确保可靠性和稳定性，EMC合规性，满足成本和空间以及连接T＆M设备的能力是最相关的挑战。

另一个有趣的问题是：我们仍然需要进行测量还是模拟可以使测试过时？的确，不能忽视仿真软件和模型的最新发展和改进以及计算机性能的提高，但最终，每次仿真都只能与模型和所提供的数据一样好。无源组件就是一个例子。通常，无源组件的规格会随用例而变化。例如，陶瓷电容器在不同的偏置电压下具有不同的容量，或者线圈的电感随电流而变化。多数时候，组件数据表并不代表这一点。实际使用情况的频率未提供ESR，ESL或AC电阻。因此，有必要在实际条件下测量组件，然后才能将其输入到仿真工具中。此外，还有必备测试，例如EMC合规性和可靠性测试。另外，最终产品的性能规格（如功耗，动态响应）需要通过测量来证明。

最后，让我们看一下最常见和最重要的度量。出于教学上的原因，我们可能从动态响应的测量开始，这通常是在开发过程的稍后阶段完成的，但是它清楚地表明了如果设计不正确会发生什么情况。在测量负载阶跃响应期间，负载电流会在最大电流的10％到90％之间变化。与电流平行，将测量输出电压。图2的顶部显示了密集振铃。在进行EMC测试时，这可能是个问题。如图所示，振荡表明设计的稳定性不足，并在反馈回路出现问题。为了获得更多的见解，下一步应该是在Bode图的帮助下测量环路响应并确定相位和增益裕度。所有Siglent X系列示波器都具有此功能，并且使测试变得容易且负担得起。优化设计并增加相位裕度后，负载阶跃响应的结果看起来就像图片的底部一样（图2）。

图2：阶跃响应

为了实现优化设计并在给定时间内完成所有操作，建议尽早开始测量。理想情况下，第一个任务应该是优化内部“核心”，即切换阶段。在这里，正确的布局对于避免由LC谐振（CDS / Ltrace）引起的高频振铃至关重要。此外，高端和低端切换之间的停滞时间必须适当。如果过紧，则会发生短路；如果过长，则会降低效率。

结论

电力电子技术的复兴是当前市场趋势的结果。高效，可靠的电源转换器已成为许多设计中的关键部分。新的半导体材料做出了贡献，为设计工程师带来了新的可能性，但同时也带来了新的挑战。为了获得见解并能够从设计中获得最大收益，仍然有必要进行大量测量。Siglent在过去的几年中扩展了其测量设备，现在可以提供广泛的产品来帮助工程师解决任务。