InnoMux2-EP高壓氮化鎵電源應(yīng)用案例分析

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背景

隨著工業(yè)自動化、電力電子與新能源系統(tǒng)的不斷發(fā)展，越來越多的應(yīng)用場景對高壓直流輸入、低壓多路輸出的DC-DC電源提出了新的技術(shù)需求。這類電源廣泛應(yīng)用于如高壓直流輸電、固態(tài)變壓器、靜止同步補(bǔ)償器、電機(jī)驅(qū)動、工業(yè)變頻器等場合，主要用于提供控制、驅(qū)動、通信、傳感等低壓子系統(tǒng)所需的穩(wěn)定電源。

這些應(yīng)用場景普遍具備以下特點：（1）輸入電壓高且范圍寬，最高可達(dá)千伏左右；（2）輸出功率等級較低，通常在幾十瓦級別；（3）輸出路數(shù)多且穩(wěn)定性要求高，不僅需要多個電壓軌輸出，而且對交叉調(diào)整率、電壓精度和動態(tài)響應(yīng)提出更高要求；（4）系統(tǒng)空間與集成度限制嚴(yán)苛，電源模塊需盡可能小型化，減少元件數(shù)量與散熱設(shè)計復(fù)雜度。

在傳統(tǒng)解決方案中，設(shè)計者往往采用多級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如：前級反激+后級穩(wěn)壓、光耦反饋+多繞組輸出、磁集成結(jié)構(gòu)+多模塊均壓等手段。這些方案雖然在功能上能夠覆蓋目標(biāo)，但通常存在如下痛點：（1）效率偏低，多級轉(zhuǎn)換或需要后級線性穩(wěn)壓導(dǎo)致能量損耗嚴(yán)重；（2）調(diào)壓精度差，輔助輸出難以閉環(huán)控制，存在較大交叉調(diào)整誤差；（3）系統(tǒng)復(fù)雜度高：器件數(shù)量多、PCB復(fù)雜、熱設(shè)計難度高；（4）調(diào)試復(fù)雜：輸出變化或系統(tǒng)擴(kuò)展都需要反復(fù)調(diào)試多個參數(shù)變量。

為解決上述難題，Power Integrations推出的InnoMux2-EP系列集成式高壓DC-DC控制器應(yīng)運(yùn)而生。本文將通過兩個典型應(yīng)用案例，分別對比InnoMux2-EP方案與傳統(tǒng)高壓電源方案的設(shè)計結(jié)構(gòu)、性能表現(xiàn)、效率指標(biāo)與系統(tǒng)復(fù)雜度，探索InnoMux2-EP帶給下一代工業(yè)電源設(shè)計的新思路和方案。

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案例1：高壓寬輸入范圍DC-DC變換器

基于隔離降壓型DC-DC變換器的輔助電源已經(jīng)廣泛應(yīng)用在高壓直流輸入的直流功率變換系統(tǒng)中，并且將成為未來電力系統(tǒng)電能治理等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。隔離降壓型DC-DC變換器在高壓直流輸電系統(tǒng)、固態(tài)變壓器以及無功、諧波補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。以電網(wǎng)無功補(bǔ)償為例，靜止同步補(bǔ)償器得到了廣泛的應(yīng)用。級聯(lián)H橋模塊的驅(qū)動供電和系統(tǒng)的控制供電需要一個從高壓直流側(cè)取電的小功率DC-DC變換器提供。受電壓紋波和控制策略的影響，直流側(cè)電壓變化范圍較寬，為了保證系統(tǒng)安全、可靠地運(yùn)行，要求小功率DC-DC變換器能在盡可能寬的輸入電壓范圍內(nèi)工作。

這類電源的設(shè)計要求可以總結(jié)為：寬輸入、高降壓比和高效率。相關(guān)技術(shù)的顯著挑戰(zhàn)可以歸納如下：

（1）輸入側(cè)從直流母線取電，范圍寬：幾百到幾千伏，因此設(shè)計難度較高，且需考慮絕緣問題；

（2）功率等級低：幾十瓦，由于高壓輸入的原因，功率開關(guān)管的開關(guān)損耗很大，因此效率通常偏低，同時還要考慮低壓情況下能夠輸出滿載功率，故而效率優(yōu)化難度較高。

一個具有200V-1000V 輸入，±15V輸出，最大功率45W的輔助電源設(shè)計平臺如下圖所示（該設(shè)計來自[1]）。

該設(shè)計平臺主要技術(shù)思路是雙模塊有源鉗位反激+磁集成+串聯(lián)結(jié)構(gòu)。其中有源鉗位反激電路的原理如下圖所示。

這是一個兩模塊磁集成ISOS 有源鉗位反激電路。拓?fù)漭斎雮?cè)由兩個有源鉗位反激模塊串聯(lián)而成，輸出側(cè)為兩個獨(dú)立繞組串聯(lián)而成。所有功率繞組均耦合在同一個變壓器中，變壓器還包括輔助繞組（未畫出）。兩個模塊相同位置的開關(guān)管同開同關(guān)，基本工作原理和單模塊類似。

該設(shè)計主要用到的器件如下表所示。

該設(shè)計結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對于控制策略需要仔細(xì)的對比和調(diào)整。設(shè)計者對準(zhǔn)諧振控制、關(guān)斷時間控制、定頻控制等關(guān)鍵控制策略和參數(shù)進(jìn)行了對比和驗證。

準(zhǔn)諧振控制的效率曲線如下圖所示。

最低輸入電壓，60%負(fù)載下，峰值效率88.59%。隨著輸入電壓的增高，開關(guān)損耗也會更大，因此相同負(fù)載下高壓時的效率低于低壓時的效率。除200V 輸入電壓的情況外，效率均隨負(fù)載功率增大而提高，因為開關(guān)損耗占據(jù)損耗的主體部分；而200V 輸入下在半載以上效率略有下降，此時開關(guān)損耗不再是損耗的主體，因為此時工作頻率偏低，導(dǎo)通損耗大，變壓器鐵損偏高，這也是低壓滿載時效率相對于其他兩種方式?jīng)]有優(yōu)勢的原因。在1000V高壓下，45W輸出時，最高效率為85%左右。

關(guān)斷時間控制的效率曲線如下圖所示。

關(guān)斷時間控制上限頻率設(shè)定為240kHz。為了防止工作頻率低于20kHz，產(chǎn)生人耳可以聽到的噪音，本實驗采用自適應(yīng)主開關(guān)管開通時間調(diào)整策略，隨著輸入電壓的提高，程序中自動減少主開關(guān)管的開通時間。滿載下，對于200V、600V 和1000V的輸入電壓，主管開通時間分別設(shè)為2.10μs、1.58μs和1.09μs。

得益于手動調(diào)整了死區(qū)時間和主開關(guān)管開通時間，在最低輸入電壓，60%負(fù)載下，實現(xiàn)了89.21%的峰值效率。與準(zhǔn)諧振控制類似，相同負(fù)載下，高壓時的效率低于低壓時的情況。關(guān)斷時間控制在高壓輕載時具有較大的效率優(yōu)勢，因為此時開關(guān)損耗的比重很大，而關(guān)斷時間控制在此類工況下的工作頻率很低。在半載以上，盡管有工作頻率的優(yōu)勢，關(guān)斷時間控制的總體效率依然低于準(zhǔn)諧振控制。在1000V高壓下，45W輸出時，最高效率為83%左右。

定頻控制的效率曲線如下圖所示。

由于開關(guān)頻率合適，在最低輸入電壓，60%負(fù)載下，實現(xiàn)了89.04%的峰值效率。與準(zhǔn)諧振控制類似，相同負(fù)載下，高壓時的效率低于低壓時的情況。除了200V 輸入的工況外，其他輸入電壓下，定頻控制相較于其他兩種控制方式劣勢明顯。半載以上，效率明顯低于準(zhǔn)諧振控制；半載以下，效率明顯低于關(guān)斷時間控制。在1000V高壓下，45W輸出時，最高效率僅為78%左右。因此從效率優(yōu)化的角度而言，定頻控制在高壓場合并不適用。

綜合來看，關(guān)斷時間控制不適合應(yīng)用于寬輸入范圍的場合，而定頻控制雖然能應(yīng)用于寬輸入范圍場合，但高壓效率劣勢明顯。準(zhǔn)諧振控制盡管增加了一定的硬件成本，但能在高壓寬輸入范圍的工況下保證效率優(yōu)勢，其輕載時的效率偏低可以通過在程序中增加頻率限制，實現(xiàn)輕載時的波谷跳躍，降低開關(guān)頻率來解決。因此，在高壓寬輸入的應(yīng)用場合，準(zhǔn)諧振控制的性能最優(yōu)，最具應(yīng)用前景，1000V輸入時，最高效率可達(dá)到85%左右。

設(shè)計者給出不同條件下的靜態(tài)及動態(tài)均壓波形，以及參數(shù)存在容差時的均壓波形，驗證了磁集成ISOS結(jié)構(gòu)具有良好的自均壓特性。但是受限于雙模塊結(jié)構(gòu)本身、外圍元件復(fù)雜度以及準(zhǔn)諧振控制策略優(yōu)化程度，整體效率仍然不高，需要加裝散熱片輔助散熱，電路占用的面積和體積都比較大。

作為對比，RDR-1053樣板是基于InnoMux2-EP的單級架構(gòu)多路輸出電源，在整個輸入范圍內(nèi)仍能維持90%以上的效率，如下圖所示（該設(shè)計來自[3]）。

此外，RDR-1053設(shè)計中整合了1700V GaN開關(guān)管、ZVS零電壓開通與同步整流，不需額外電路實現(xiàn)高效率運(yùn)行，進(jìn)一步減少損耗。

上述對比方案中并未明確說明是否在±15V輸出后采用線性穩(wěn)壓器或DC-DC后級穩(wěn)壓。但由于其主要為驅(qū)動控制類負(fù)載，需通過精心調(diào)試切換控制策略（準(zhǔn)諧振、定頻等）平衡效率與穩(wěn)壓性能，其±15V輸出并未實現(xiàn)閉環(huán)交叉調(diào)節(jié)控制，往往還需進(jìn)一步穩(wěn)壓，若需用LDO等進(jìn)行二次穩(wěn)壓，將導(dǎo)致系統(tǒng)總體效率進(jìn)一步下降。而RDR-1053使用InnoMux的單級架構(gòu)，每路輸出都具備獨(dú)立調(diào)壓功能，可以達(dá)到±1%的穩(wěn)壓精度，在大部分應(yīng)用中都不需后級穩(wěn)壓電路，避免了二次轉(zhuǎn)換帶來的效率損耗與元件堆疊。RDR-1053只需約60個元件即可完成雙路輸出方案，無需光耦、TL431等反饋元件，也無需多級電路。相較之下，磁集成+雙模塊結(jié)構(gòu)增加了設(shè)計、調(diào)試和安規(guī)難度，PCB尺寸與調(diào)試工作量顯著提升。

對比結(jié)果表明，即使在使用了有源鉗位技術(shù)的前提下，雙模塊反激方案在整體系統(tǒng)效率、輸出精度、架構(gòu)集成度等方面仍遜色于InnoMux2-EP方案。InnoMux2-EP不僅在單級結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)了更高的效率，更通過GaN高壓開關(guān)、ZVS與多路精確控制顯著簡化了系統(tǒng)設(shè)計，展現(xiàn)出在高壓輔助電源應(yīng)用中的顯著優(yōu)勢。

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案例2：光穩(wěn)壓多路輸出反激式變換器

TIDA-010000是一款50W多路輸出參考設(shè)計，廣泛用于變頻器、電機(jī)驅(qū)動等工業(yè)場合，其輸入范圍為380–480VAC，輸出包括24V/1.5A、15V/0.5A、5V/0.2A和3.3V/0.1A四路。該設(shè)計采用傳統(tǒng)反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用光耦反饋實現(xiàn)穩(wěn)壓，并通過分壓等手段分別調(diào)整次級輸出電壓。控制芯片為UCC28740。電路結(jié)構(gòu)如下圖所示（該設(shè)計來自[2]）。

雖然TIDA-010000具備多路輸出能力，但其輸出調(diào)節(jié)精度依賴于主輸出的反饋機(jī)制，其余輸出無法實現(xiàn)獨(dú)立的閉環(huán)調(diào)節(jié)，在多負(fù)載動態(tài)變化場景下容易出現(xiàn)電壓波動。此外，由于傳統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)及分立元件較多，該設(shè)計仍需搭配散熱片使用，系統(tǒng)集成度不高，如下圖所示。

該方案與基于InnoMux2-EP芯片的RDR-1053方案對比分析如下表所示。

項目

TIDA-010000

RDR-1053

輸入電壓范圍

380–480VAC

（290–1000 VDC）

70–1000VDC

輸出通道

4路（24V, 15V, 5V, 3.3V）

2路（5V/2.5A & 24V/2A）

功率

50W

60W

穩(wěn)壓機(jī)制

主輸出光耦反饋，其余為輔助調(diào)節(jié)

雙輸出獨(dú)立閉環(huán)控制

控制器

UCC28740

IMX2353F-H415

后級穩(wěn)壓

需要（如LDO）

不需要

交叉調(diào)整率

依賴主輸出負(fù)載

小于±1%，獨(dú)立反饋控制

峰值效率

約85%

大于90%

散熱器

需加裝散熱片

無需外部散熱片

在效率表現(xiàn)方面，TIDA-010000整體效率低于86.2%。高壓輸入（990V）下峰值效率進(jìn)一步降低，約為84.1%，如下圖所示。而RDR-1053在全部輸入范圍內(nèi)效率均保持在90%以上，其優(yōu)勢主要得益于采用了1700V GaN功率器件、ZVS軟開關(guān)技術(shù)與同步整流電路，并通過數(shù)字控制實現(xiàn)了高效精密的能量管理。

在交叉調(diào)整率方面，RDR-1053在全輸入電壓范圍和全負(fù)載范圍內(nèi)，輸出電壓的調(diào)節(jié)誤差始終維持在±1%以內(nèi)，絕大部分點接近0%。即使在低負(fù)載（0~20%）和高壓輸入（1000V）工況下，輸出仍保持穩(wěn)定，波動不大，如下圖所示。

相比之下，TIDA-010000采用光耦反饋，只能調(diào)節(jié)某一主輸出，其他輸出為從屬調(diào)節(jié)方式，在多路輸出負(fù)載不均或動態(tài)變化情況下，會引起顯著的電壓波動，交叉調(diào)整率明顯劣于RDR-1053，如下圖所示。例如在990V輸入下，24V滿載輸出時，5V的輸出已經(jīng)上升到6.1V以上，誤差超過22%。

在系統(tǒng)復(fù)雜度方面，TIDA-010000設(shè)計中使用了多個光耦、齊納、反饋調(diào)節(jié)和保護(hù)電路，元件數(shù)量較多，布板復(fù)雜，占用空間大，且需要額外散熱片輔助降溫。而RDR-1053僅需約60個器件，無需光耦或TL431，也不需要附加散熱片，系統(tǒng)簡潔，布板緊湊，利于工業(yè)電源集成化設(shè)計。

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總結(jié)

通過對兩個典型高壓電源案例的對比分析可以看出，InnoMux2-EP方案憑借其高度集成的架構(gòu)、1700V GaN器件、ZVS技術(shù)及雙路獨(dú)立調(diào)壓能力，在效率、交叉調(diào)整率、系統(tǒng)復(fù)雜度和熱管理等方面均展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。與傳統(tǒng)多級或光耦反饋結(jié)構(gòu)相比，InnoMux2-EP不僅能夠簡化設(shè)計、減少元件數(shù)量與PCB面積，還能提升整機(jī)可靠性和系統(tǒng)一致性，是面向下一代高壓電源應(yīng)用的優(yōu)選方案。未來，在靜止同步補(bǔ)償器、變頻器、工業(yè)控制等高壓場景中，InnoMux2-EP將有望持續(xù)替代傳統(tǒng)解決方案，推動電源設(shè)計向更高效、更緊湊、更智能方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 許奕辰.適用于高壓大功率輔助電源應(yīng)用的寬輸入范圍DC-DC變換器研究[D].南京航空航天大學(xué),2020.DOI:10.27239/d.cnki.gnhhu.2020.002127.

[2] TIDA-010000 - 50-W Opto-Regulated Multi-Output Flyback Converter Reference Design for 380-480VAC Motor Drives. https://www.ti.com.cn/tool/EN/TIDA-010000

[3] RDR-1053 - 60 W Flyback Converter with Two Independently Regulated Outputs Using InnoMuxTM2-EP IMX2353F-H415. https://www.power.com/zh-hans/design-support/design-examples/rdr-1053-60-w-dual-output-flyback-power-supply-1000-vdc-industrial-using-innomux2-ep-1700v-powigan

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