正弦振幅变换器

正弦振幅变换器
新一代dc/dc变换器电路拓扑
正弦幅度变换器——DC/DC变换器的一种新型电路拓扑。

这项新技术基于零电压和零
电流开关，实现了几兆赫的频率开关和千瓦每立方英寸的功率密度。

一种新型功率变换器拓扑，即正弦振幅变换器是用vicor的线路电压转换模块（vtm）为基础来实现的高性能电源模块。

bga封装的vtm是一个集成的dc-dc变换器模块。

为分
比式功率结构（fpa）。

公司的新目标是用此方式实现分布式电源，虽然这些元件的能力
及实现方法在早期是描述过的，而构成此技术的唯一基础是众所周知的。

正弦振幅转换器（SACS）使VTM能够获得非常高的功率密度，约1kW/in3，并在负载
点获得高效率和快速的瞬态响应。

PWM变换器和零电压零电流谐振变换器所能达到的功率
密度远远超过100W/in3左右。

这种设计使这一切成为可能。

该技术结合了最好的ZCS/ZVS 开关谐振变换器和硬开关PWM变换器。

Sacs更依赖于它的高频率，这使得它只使用一个非常小的磁芯。

sacs的开关在兆赫级频率工作，在流行的vtms中，开关频率是3.5mhg，这是最好的
工作频率来实现zcs/zvs的谐振变换器和pwm变换器。

如同在隔离的dc/dc变换器砖块中
的所使用的pwm变换器。

在一些非隔离buck变换器中，sac是单相的，因此开关频率不是有效频率，而是实际频率。

了解SAC如何实现其高频特性需要了解现有设计的局限性。

ZCS/ZVS谐振变换器，
如正向DC/DC变换器，如VICOR的第二代产品系列，可以切换到1mhg频率。

这些转换器
通过在电力变压器的漏感中储存能量来工作。

在基本的谐振拓扑中，能量系有意地存在谐振变换器的变压器中，能量储存元件的q 值――变压器漏感的专有名词，必须做得更高。

但是变压器的高q值及漏感的获得是建立
在变压器绕组的电阻损耗上的。

在PWM拓扑中，通常将电力变压器的漏感添加到非谐振隔离DC-DC变换器中时，其漏
感最小。

因此，变压器中的电阻损耗不是工作频率的限制因素。

但在这种情况下，开关损
耗和PWM硬开关损耗的结合将限制开关频率，开关频率只能在100khg~400khg范围内。

sac克服了谐振变换器的电阻损耗及开关损耗以及pwm变换器
与传统谐振变换器一样，sacs采用ZVS/ZCS开关，大大降低了高频引起的开关损耗。

与PWM变换器一样，sacs最大程度地降低了变压器的漏感，使变压器工作在几MHz的频率下。

漏感从最大到最小是主要变化，而不是变压器中存储的最大能量。

气囊将储存的能量
降至最低。

随着这一变化，处理能量的原理也在发生变化。

基本的zcs/zvs谐振变换器工作在量子级能量传输。

从而，一个固定总量的能量在每个周期内传输到负载，输出功率正比于开关频率下的时间间隔中所储存在变换器的槽路中的能量。

作为第一顺序近似，pout正比与f×li2，此处pout是变换器输出功率。

f是开关频率，l是变压器漏感，i是通过变压器的电流。

为了增加传输到负载的功率，谐振变换器增加其开关频率。

相反，sac使用充电传输来工作。

转换器在每个工作循环中的总充电量是输出功率的函数。

Sac建立了低压正弦波的振荡，这是由一个小的总漏感建立的，该漏感存在于电力变压器中，并与一次侧的电容器共振。

（图1）振荡器的振幅是负载电流拉动的电流的函数。

换句话说，随着负载电流上升，振荡幅度（跨过谐振电容测量出来的）也随之上升。

它的频率还是固定的。

当没有负载电流拉动时，其幅度就降至零。

一2V输出VTM提供了sacs工作的示例。

（图2）这里，VTM在开环状态下工作，无需检测和调整输出电压。

它由预调整模块（VICOR PRM或其他DC-DC转换器）提供。

在本例中，当负载从100W变为200W时，VTM显示的负载调整率为1%。

但由于Q值非常低，谐振电容器的输出波形和内部波形可以快速形成，而无需振铃。

如果VTM使PRM在闭环中工作，负载调整率将上升至0.1%。

在一些vtm中，sac的执行方案为全桥结构，初级次极都如此（图1），但是用半桥建sac也是可能的，用push-pull也可以，这取决于功率的需要。

Sacs工作在固定频率，这与ZCS/ZVS谐振变换器不同。

另一个特性差异是，它消除了储能元件，从而降低了能量传输到负载的速度。

VICOR正激变换器采用ZCS/ZVS开关。

能量储存在变压器的漏感中，从这里传输到二次侧的谐振电容器，然后通过滤波电感传输到负载。

电容及电感是串联式能量储存元件，它占有电源砖块的空间，并减缓了砖块的瞬态响应。

在sac中，串联能量储存元件就不再需要，因为变换器工作系充电式传输，而不是靠储存和传输能量包。

串联储能也用于PWM变换器，即使在正激PWM变换器中，如果没有输出电感，电力变压器的漏感将作为变换器的输出阻抗之一重新出现。

当负载发生变化时，这种与电路中的直流电阻重新出现的耦合将产生电压降。

与功率变压器的漏感组合在一起的sac，由初级侧谐振电容设置的谐振频率被锁定的开关频率抵削掉。

所以无论多么小的串联输出阻抗都将被变压器的漏感献出，并被消除。

在1.5v输出的vtm中，开环输出阻抗刚好是1.3mω，平缓地从0~1mhg之间都是如此。

这种阻抗特性导致200纳秒的快速瞬态响应。

它比多相buck变换器的实现要好，多相buck变换器可以在产生CPU核心电压的电压调节模块中看到，但sac还保持着另一个独特的优势：半直接电源串允许它在不需要任何电压箝位的情况下控制负载的移除。

如果
CPU产生负载转储，sac会将该能量从输出发送回其输入电压源。

同时，sac将提供有效的旁路电容，并以与输入输出电压比的平方成正比的方式增加它。

跳跃式发展：第一个看点――减小q值提升变换器效率
在传统的零电流/零电压转换器中，谐振电流信号的振幅可以控制在几伏的电压水平。

与sac的正弦振幅转换相比，其振荡器的峰间电压仅为几伏。

在这种形式下，由于传统的ZVS/ZCS变换器以串行模式处理能量，因此需要高振荡幅度。

sac取决于变压器漏感的q值最小化，这可以从振荡器设计时典型需要高q值直觉地
看出来。

当然，在sac的情况，目标是减小变压器漏感中储存的能量，这是因为更多的能
量储存在漏感中，变换器较低的谐振及较大的变压器电阻及它的损耗。

在sac中，低Q值实际上会导致更高的转换效率。

通道中能量损失的几个百分点会使
其Q值降低。

虽然通道损耗增加且与1/Q成正比，但通道中存储的总能量减少且与Q2成
正比。

换句话说，由于在低Q值时通道中存储的能量较少，因此可以提供更高的能量损耗
比率，直到转换器损耗达到绝对减少。

但q值不仅至少要低至某一点，而且q值必须大于1，否则sac就不会振荡工作了。

实际上，q值仅减少到2或3。

除非振荡器将去停止正弦振荡，而这是zcs开关的基本要求。

比较Q值和储能
q值与功率变压器漏感和储存在漏感中的能量，根据所用的功率变换技术会产生变化。

下表给出q值及储能水平的结果，它系这三种类型的dc-dc变换器用在大于200w输出时
的状况。

虽然脉宽调制型变换器与sac展示出相似水平的q值，但正弦幅度变换器在功率
变压器中储存的能量是最少的。

这反映了两个转换器之间开关频率的差异。

由于开关损耗不同，PWM变换器的工作频
率较低，因此需要更多的变压器匝数。

这些过多的匝数和较低的开关频率会给电力变压器
带来较大的漏感。

这会导致PWM转换器中存储大量能量。

在传统谐振正激变换器中有zcs/zvs开关，漏感故意留得较高，以便将能量储存在内。