具有雙頻控制的E類諧振升壓DC/DC轉換器
作者 : Giovanni Di Maria
業界存在許多不同類型的DC/DC轉換器，每種都有其獨特的工作模式。《Power Electronics News》本篇文章中，提出的是對一個在E類中運行的具有雙頻信號驅動的DC/DC升壓轉換器的分析。
該解決方案能夠在負載發生變化時調整輸出功率。該電路最重要的特性之一是，它可以確保在所有工作條件下都有非常高的效率。本文研究的升壓轉換器允許輸出的直流電壓高於輸入的直流電壓，而且效率最高。
E類中的靜態負載和動態負載
當E類轉換器為一個精確估值的負載設計時，它無法控制調整輸出參數。輸出信號特性是固定的，並且始終在相同的條件下運行。另一方面，如果要使用不同的負載，則必須安排一系列控制來完美地調整輸出信號。當輸出阻抗發生變化時，電路的工作模式也會發生變化，信號的波形也會發生變化。效率並不總是恆定的，而是會根據所施加的負載類型而變化。
使用E類轉換器，可以獲得在開關瞬間之前通過零點的特殊波形。這樣一來，開關損耗就非常低。與傳統轉換器相比在E類轉換器中，開關頻率可以大大提高，甚至提高50倍，從而實現高效率。
由於這方面的原因，電路尺寸可以保持較小，從而顯著降低重量、面積和最終成本。電磁干擾(EMI)方面也大大減少。在正常開關操作中，電力電子開關會在很短的時間內中斷電流，這會對電子元件造成很大的壓力。它們必須同時承受高電壓和高電流，造成巨大的功率耗散和壓力，從而導致功率損失和效率低下。
通過在轉換器中採用諧振電路，可以對波形進行整形以創建零電壓開關和零電流開關條件。通過降低功率損耗(理想情況下為零)、提高開關頻率和消除瞬態尖峰，可以提高整體系統效率以實現極低的EMI。
升壓轉換器中的雙頻控制
E類轉換器通常用於單一負載情況，因為它們被設計為僅在特定工作條件下運行。通常，它們為特定類型的負載提供服務，在這種情況下，轉換器以最高效率運行，只有一個最佳工作點。改變負載，電路的波形會發生變化，因而不再能保證最佳運行。負載的變化會導致系統效率急劇下降。
為了解決這些問題，可以採用雙頻控制來調製輸出電流，從而始終保證最佳的工作點，並將整個系統的效率保持在非常高的值。在開關轉換器中，最關鍵的元件是電感器。幸運的是，在這個電路實現中，這些元件不必更換，採用兩種不同的開關頻率同樣可以達到最佳工作點。如圖1所示，在實施雙頻E類升壓轉換器時必須採取特定的預防措施。
圖1：雙頻E類升壓轉換器電路圖。
可以在該電路中使用同樣的電感器，而無需更換它們。相反，只需改變與電子開關並聯的電容器的值，即可在兩個頻率下獲得最佳工作點。只有當輸出電流與電晶體開關頻率的乘積保持恆定時，才能獲得最大效率。
該解決方案源自單頻升壓，其中沒有交替連接和斷開額外的一對電容器的電子開關。很容易看出，當此類開關器件導通時，它們允許並聯額外的電容器以增大方案中已經存在的電容。該電路要求的另一個條件是，乘積必須保持不變，以保護在兩個開關頻率下的最大效率。
電路的工作
與只有一個工作頻率的方案不同，這個方案有兩個串聯的開關，兩個電容器分別標記為Cinv1和Crec1，從而可以改變總電容。如果開關閉合，則Cinv1和Crec1的電容分別添加到Cinv2和Crec2電容。在這種情況下，轉換器工作在較低的頻率。另一方面，如果附加電容斷開，則轉換器工作在較高頻率。請注意，附加開關是兩個MOSFET。但是，與Cinv2串聯的是N通道，與Crec2串聯的是P通道。根據輸入電壓和負載條件，轉換器以兩種開關頻率中的一種工作，有以下兩種方式：
- 如果輸入電壓較高，或負載較輕，電路就會採用較高的開關頻率，這樣就可以降低諧振電感產生的通斷損耗和導通損耗。
- 當電壓較低，或負載具有低阻抗時，電路採用最低的開關頻率。
在設計階段，必須選擇轉換器工作的輸入和輸出工作電壓。同樣，設計人員必須選擇負載在兩個頻率下耗散的兩個最大功率。有了這些，可以很容易地計算出兩個支路INV和REC的電流。電感元件的確定非常微妙，因為它還必須考慮所涉及的兩個頻率。圖2中的圖形顯示了電子開關漏極和源極之間的電壓V(D,S)和二極體陰極和陽極之間的電壓V(K,A)的波形。
圖2：在較低頻率下工作的電路電壓V(D,S)和V(K,A)的波形圖。
應遵循以下步驟，以在兩個選定頻率下獲得兩個良好的工作條件。通常情況下，最好一個頻率是另一個頻率的兩倍：
- 選擇輸入電壓和輸出電壓。
- 確定所涉及的兩個頻率的最大相對功率。
- 計算相對電流。
- 選擇電感並確定兩個頻率下各自的q值。
- 計算開關損耗。
- 透過稍微調整元件值來優化結果。
元件的第一次大小調整是在給定的頻率下完成的；然而，第二次調整大小的頻率是原來的兩倍。再次計算開關損耗，最後進一步優化。這遠非一個簡單的程式。
設計良好的電路會產生非常高的效率，前面檢查的兩個電壓的峰值並不重要，市場上大多數設備都支援。平均輸出電流的值相當於IREC的平均電流。設計電路時必須考慮與電抗元件(電容器和電感器)串聯的寄生電阻元件。這些寄生電阻會隨頻率發生變化；實際上，它們在高頻下更有意義。要使單個電路工作在兩個頻率下，需要將兩個等效設計組合起來，實現一個可以工作在兩個頻率下的E類升壓轉換器。
如前所述，如果與電容Cinv1和Crec1串聯的兩個開關斷開，則電路可以工作在更高的頻率。相反，如果這些電子開關閉合，則電路以較低頻率運行。因此，在這樣的頻率下，隨頻率本身而變化的寄生電阻的存在是不可避免的。就電容而言，此類電抗將是最小的，而對於電感器，由於其低Q值，它們可能會達到重要的值。
在圖3中，與V(D,S)電壓相關的波形圖上有一個小台階，就在電子設備打開並進入導通的瞬間。這個臺階不能完全消除，並且會導致開關耗散的功率非常小的增加，這是完全可以接受的並且微不足道的。
圖3：電晶體開關期間V(D,S)信號上形成一個非常小的台階。
結論
實驗結果表明，採用這種雙頻方法，轉換效率至少提高了6%到7%。通過執行良好的分析和設計，電路的運行符合計畫，實現其預期目標。比較MOSFET和二極體兩端在兩個開關頻率下的電壓波形，以驗證系統的效率是很有意思的。分析流經LINV和LREC電感的電流也很有用。
圖4中的波形圖分別顯示了電子開關的啟動脈衝及其在兩個半導體元件末端的兩個信號(上面的前兩個波形圖)。另外兩個波形圖(底部)分別顯示了電子開關的啟動脈衝及其在兩個半導體元件末端的兩個信號(雙倍頻率下)。第二種工作模式使用兩倍的頻率和一半的負載電流。在如此高的頻率下，這些結果通常無法通過傳統解決方案實現。
E類DC/DC轉換器極其複雜和關鍵，但它們通過允許驅動不同性質和阻抗的負載提供了巨大的好處。通過特殊佈置和大量電路修改，加之系統複雜性呈指數增長，DC/DC轉換器也可以針對三種類型的負載實施。
圖4：兩種工作頻率下的波形圖。
本文刊登於EDN China網站
(參考原文：Resonant Boost DC/DC Converter in Class E with Dual-Frequency Control, By Giovanni Di Maria)
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