在工業應用中，AC/DC 電源轉換（也稱為“離線式”電源轉換）與消費類和大眾市場設計迥然不同。通常，工業應用的電壓、dianliuhegonglvshuipingxiangduigenggao，duireyinglihedianyinglidewenjianxingyouewaiyaoqiu
，duihuodonghedaijimoshiyouyangedejianguanguiding
，haibixujiankongdangqiangongzuozhuangtaiyixingchengfankuihuilubingjinxingguzhangjiance。

 

zaizhexieqingkuangxia
，youxiaoshejideguanjianzaiyudianyuanzhuanhuanqikongzhidianluhuozhuanhuanqidehexinqijian，yijigonglvkaiguanqijianjiqizhichizujian。zhexieqijianzhuyaoyongyushixianxuandingdedianyuantuopu，yisuoxudedianyahedianliutigongwendingdezhiliushuchu。zhuanhuanqikeyibaohanjichenggonglvqijian（例如 MOSFET），抑或作為碳化矽 (SiC) 功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)等(deng)外(wai)部(bu)分(fen)立(li)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)的(de)控(kong)製(zhi)器(qi)和(he)驅(qu)動(dong)器(qi)。有(you)些(xie)轉(zhuan)換(huan)器(qi)為(wei)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)提(ti)供(gong)穩(wen)定(ding)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)源(yuan)軌(gui)，另(ling)一(yi)些(xie)的(de)功(gong)能(neng)則(ze)不(bu)甚(shen)顯(xian)著(zhu)，但(dan)仍(reng)起(qi)著(zhe)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)的(de)作(zuo)用(yong)，充(chong)當(dang)具(ju)有(you)特(te)殊(shu)通(tong)斷(duan)屬(shu)性(xing)的(de)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)。

 

本ben文wen介jie紹shao了le適shi用yong於yu工gong業ye電dian源yuan應ying用yong的de各ge種zhong電dian源yuan轉zhuan換huan器qi拓tuo撲pu，以yi及ji設she計ji人ren員yuan在zai選xuan擇ze拓tuo撲pu及ji其qi相xiang關guan元yuan器qi件jian之zhi前qian必bi須xu考kao慮lv的de因yin素su。此ci外wai，還hai介jie紹shao了le ROHM Semiconductor 推出的相關元器件及其有效應用。

 

電源轉換器拓撲選擇

xuanzedianyuanzhuanhuanqiyikaifamanzugongyeyingyongkekeyaoqiudedianyuanshi，shejirenyuanbixuzaiduogexuanxianghelibiquanhengyuxiangmuyouxiankaolvyinsuzhijianqudepingheng。shixianfangfazhongduo，danzuichangyongdeshixiangusuandianyuansuoxugonglv（以 W 為單位）
，並考慮是否需要輸入和輸出隔離（圖 1 和圖 2）。這兩個因素可劃出電源轉換器拓撲的可能選擇。

圖 2：每個轉換器拓撲都可以用標記了架構核心的簡化電路圖來表示；這些拓撲可按隔離型（下）和非隔離型（上）分為兩類。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

 

請注意，上述均為開關模式電源 (SMPS) 拓撲，而非線性模式電源。線性電源的能效較低，僅為 20% 至 40%，隻有迫切需要極低輸出噪聲的利基市場應用才可接受。工業設備則鮮少要求如此之低的功率相關噪聲。

 

事實上
，確定“合適”的方法往往無法簡單敲定，畢竟影響決定的因素有很多，例如：

 

基本性能：包括輸入和輸出調節以及瞬態響應

穩健性：在某些情況下
，有些方法對電應力和熱應力的耐受性更強

工作模式：包括連續電源

、脈衝電源和高間歇性電源

超出電源額定功率的要求

解決方案成本

隔離需求

能效：詞雖簡短，含義頗深

 

幾乎所有工業電源轉換器都需要進行交流線路隔離
，通常使用變壓器實現升壓/降壓
，確保用戶安全和係統性能。不過，即便使用初級側變壓器

，某些轉換器仍需要內部輸入/輸出隔離（有時稱為浮動輸出），可用於轉換器運行、多個電源軌之間的電氣隔離或高壓軌自舉。輸入/輸出隔離可通過外加變壓器或光耦合器來實現。

 

能效要求決定了許多設計選擇

圍繞工業電源轉換器的討論全都將能效作為首要關注點。電池供電設備的能效與運行時間密切相關，AC/DC 轉換器則有所不同，影響其能效的因素包括：

 

運行成本：許多工業應用的功率要求可達數百甚至數千瓦，而且多數應用都須全天候運行，這就顯得尤為重要。

 

散熱：由(you)於(yu)空(kong)氣(qi)流(liu)通(tong)受(shou)限(xian)或(huo)缺(que)乏(fa)主(zhu)動(dong)式(shi)冷(leng)卻(que)
，許(xu)多(duo)設(she)備(bei)的(de)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)可(ke)能(neng)很(hen)高(gao)。過(guo)熱(re)會(hui)使(shi)元(yuan)器(qi)件(jian)產(chan)生(sheng)應(ying)力(li)，縮(suo)短(duan)故(gu)障(zhang)間(jian)隔(ge)，需(xu)要(yao)更(geng)換(huan)停(ting)機(ji)時(shi)間(jian)並(bing)增(zeng)加(jia)成(cheng)本(ben)。電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)器(qi)能(neng)效(xiao)低(di)會(hui)加(jia)重(zhong)環(huan)境(jing)熱(re)負(fu)荷(he)。

 

監管問題：許多標準和規定中的最低能效均由應用、功率水平和區域決定。此外
，這些標準還定義了允許的最小功率因數，因而電源轉換器和電源中可能需要添加功率因數校正 (PFC) 功能。

 

簡單的數學計算即可說明為何略微提高能效也至關重要且極富效用。試想一下
，將電源轉換器能效由 65% 提高至 70%——看似隻提高了 5 個百分點。從另一個角度來看：無功功率由 35% 降至 30%。改進雖同樣是 5 個百分點，但是就無功功率而言，共降低了 5/35，即約 14%。因此，將能效由 65% 提高至 70%
，可使無功功率降低約 14%，從而降低成本和熱負荷，避免可能需要的額外冷卻。這是一項顯著改進
，會直接反映在熱設計要求和運行成本中。

 

實現更高的能效

在 AC/DC 轉換器設計中
，不存在所謂“魔彈式”能效提高法，設計人員費盡心機往往也隻能略微提高能效。但是，通過幾種大小策略組合反而有效：

 

選擇合適的轉換器核心拓撲，確定最適合該方法和功率水平的開關頻率；該頻率通常在 100 kHz 至 1 MHz 之間。

優化電路：所有基本設計中都有許多細節會產生無功功率，電源設計人員已經找到了相應方法
，在一定或很大程度上使其最小化；每個方麵可能隻有些許改進

，但積少成多。

使用本質上有助於提高能效的有源和無源元件；對於功率器件 (MOSFET) 和某些二極管，則表示要改用基於 SiC 工藝技術的元器件。

憑借較小的導通電阻及其在高溫下的卓越性能，如今 SiC 已成為下一代低損耗開關和阻斷元件最可行的候選材料。相較於矽器件，SiC 器件具有眾多優勢，因為後者具有更高的擊穿電壓及其他特性，包括：

 

臨界電場擊穿電壓更高，因而在給定的額定電壓下工作時漂移層更薄
，大幅減小導通電阻。

導熱率更高
，因而在橫截麵上可以實現更高的電流密度。

帶隙更寬
，因而高溫下的漏電流較小。因此，SiC 二極管和 FET 常稱為寬帶隙 (WBG) 器件。

作為與矽器件的粗略“數量級”比較

，基於 SiC 的 MOSFET 器件阻斷電壓是前者的 10 倍，開關速度約是其 10 倍，25℃ 時的導通電阻隻有其一半或更小。同時
，工作溫度最高可達 200℃（矽器件為 125℃），因而使熱設計和熱管理得以簡化。

 

SiC 開關器件功率處理能力的一個實例是 ROHM Semiconductor 的 SCT3105KRC14，1200 V、24 A 的 N 溝道 SiC 功率 MOSFET，RDS(on) 典型值為 105 mΩ。該器件具有良好的熱阻特性，相對於施加的脈衝寬度能夠迅速達到最大值（圖 3）。

 

圖 3：ROHM 的 SCT3105KRC14 1200 V、24 A 的 N 溝道 SiC 功率 MOSFET，良好的熱特性即使在脈衝驅動下也能迅速達到平衡。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

 

分立式與集成式電源設計

功率水平較低時，一種做法是選擇整合了轉換器穩壓器與相關功率開關器件的 IC。該做法的優勢在於穩壓器與功率器件的互連有助於優化電路，而不可避免的寄生效應特征也在規格書中有所描述。此外，如圖中 ROHM 的 BD9G341AEFJ-E2 所示，這款內置 150 mΩ 功率 MOSFET 的降壓開關穩壓器最大限度地減少了對外部元器件的需求（圖 4）。

 

圖 4：ROHM 的 BD9G341AEFJ-E2 降壓開關穩壓器集成了 MOSFET 與控製器
，實現了該解決方案幾乎所有特性，同時還將所需外部電路的數量和複雜性降至最低。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

 

這款小型 HTSOP-J8 器件尺寸為 4.9 × 6.0 × 1.0 mm，非常適合工業分布式電源應用。該器件的輸入電壓範圍為 12 V 至 76 V，輸出電流可達 3 A。電流模式架構提供了快速瞬態響應和簡單的相位補償設置，開關頻率範圍為 50 kHz 至 750 kHz，支持用戶設置。

 

隨著功率水平（以及電壓和電流）提(ti)高(gao)，功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)封(feng)裝(zhuang)的(de)重(zhong)要(yao)性(xing)隨(sui)之(zhi)提(ti)升(sheng)，單(dan)獨(du)使(shi)用(yong)分(fen)立(li)器(qi)件(jian)的(de)難(nan)度(du)也(ye)相(xiang)應(ying)增(zeng)大(da)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，兩(liang)個(ge)或(huo)多(duo)個(ge)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)的(de)預(yu)封(feng)裝(zhuang)模(mo)塊(kuai)是(shi)更(geng)受(shou)青(qing)睞(lai)的(de)選(xuan)擇(ze)。例(li)如(ru)
，ROHM 的 BSM300D12P2E001 是一款 1200 V、300 A 的半橋模塊，具有兩個 SiC 雙擴散 MOSFET (DMOSFET) 和 SiC 肖特基勢壘二極管（圖 5）。

 

圖 5：ROHM 的 BSM300D12P2E001 模塊包含兩個相連的 SiC DMOSFET 和 SiC 肖特基勢壘二極管

，從而簡化了常用半橋配置下 MOSFET 的匹配要求，並實現了相應的性能。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

 

在單個模塊中整合 MOSFET 及其二極管可優化整個組件的性能，該模塊尺寸約為 152 mm 長 × 62 mm 寬 × 17 mm 高，看似一塊細長的磚（圖 6）。此外，該模塊還包括獨立溫度傳感器（NTC 熱敏電阻），可監控器件散熱情況，同時其結構有助於熱管理——此(ci)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)流(liu)組(zu)合(he)下(xia)的(de)重(zhong)要(yao)考(kao)慮(lv)因(yin)素(su)，因(yin)為(wei)該(gai)模(mo)塊(kuai)可(ke)輕(qing)鬆(song)實(shi)現(xian)器(qi)件(jian)與(yu)電(dian)路(lu)板(ban)或(huo)散(san)熱(re)器(qi)的(de)物(wu)理(li)連(lian)接(jie)，具(ju)備(bei)機(ji)械(xie)完(wan)整(zheng)性(xing)並(bing)確(que)保(bao)與(yu)電(dian)源(yuan)線(xian)的(de)穩(wen)固(gu)連(lian)接(jie)。

 

圖 6：ROHM 的 BSM300D12P2E001 半橋模塊封裝減輕了接線、物理安裝和散熱方麵的顧慮。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

 

驅動器對轉換器的有效運行至關重要

無論是基於矽還是 SiC 的 MOSFET 通斷，都必須慎重考慮諸多相關細節：柵極驅動電壓、電流
、壓擺率

、瞬態特性

、過衝
、輸入電容、dianganyijixuduoqitajingtaihedongtaiyinsu。zhajiqudongqikeyongyulianjiekongzhichuliqishuchudexiangduijiandandedidianpingxinhaoyukaiguanqijiandezhajishuru。zhezhongteshudianyuanzhuanhuanqideshuchuyugonglvqijiandefuzaiyaoqiuxiangduiying。

 

duiyubanqiaohuoquanqiaodengchangyongpeizhixiadeyiduikaiguanqijian，qudongqimokuaihaixuquebaogaoduanhediduanqijianbuhuitongshidaotong，jishizhishishunjian，yinweizhehuidaozhidianyuanguijiedi。ciwai
，zaimouxiegonglvqijianyingyongzhong，gonglvqijianlujingzhongdantiaohuoliangtiaodoubixuyuxitongdijinxingdianqigeli
，tongshirengxuweiqitigongxiangyingdexingneng。

 

為了滿足這些要求
，一些功率器件供應商推出了驅動器 IC
，專用於其提供的某個或多個開關器件。例如，Tamura/ROHM 的 2DU180506MR02 半橋柵極驅動器 IC 的特性和功能與上述 ROHM 半橋模塊互補，可降低驅動該模塊的難度，並且添加了各種保護模式（圖 7）。

 

圖 7：Tamura/ROHM 的 2DU180506MR02 柵極驅動器 IC 旨在為控製處理器與 ROHM 的 BSM300D12P2E001 半橋模塊提供完整接口。（圖片來源：Tamura）

 

該柵極驅動器模塊封裝高度僅為 24 mm
，安裝於 65 mm × 100 mm 的電路板上。該電路板的連接器可用於直流電源、處chu理li器qi接jie口kou和he電dian源yuan模mo塊kuai驅qu動dong器qi。此ci外wai，該gai柵zha極ji驅qu動dong器qi還hai提ti供gong至zhi關guan重zhong要yao的de監jian控kong功gong能neng，幾ji乎hu所suo有you功gong率lv器qi件jian都dou有you這zhe方fang麵mian的de需xu求qiu，尤you其qi是shi麵mian向xiang大da功gong率lv工gong業ye應ying用yong的de器qi件jian。這zhe些xie功gong能neng包bao括kuo過guo載zai保bao護hu、過熱保護（連接功率模塊的熱敏電阻）、欠壓鎖定和柵極驅動故障指示燈。

 

其他半橋柵極驅動器則更為通用。ROHM 的 BM60212FV 是一款 1200 V 高端和低端柵極驅動器 IC，適用於 N 溝道 MOSFET 和 IGBT（圖 8）。該(gai)器(qi)件(jian)使(shi)用(yong)無(wu)鐵(tie)芯(xin)變(bian)壓(ya)器(qi)來(lai)提(ti)供(gong)磁(ci)隔(ge)離(li)，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)高(gao)端(duan)所(suo)需(xu)的(de)電(dian)平(ping)轉(zhuan)換(huan)。但(dan)是(shi)，由(you)於(yu)內(nei)部(bu)其(qi)他(ta)功(gong)能(neng)並(bing)未(wei)隔(ge)離(li)，因(yin)此(ci)仍(reng)歸(gui)類(lei)為(wei)非(fei)隔(ge)離(li)式(shi)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)。

 

圖 8：ROHM 的 BM60212FV 高端和低端柵極驅動器 IC 在高端驅動路徑的電平轉換電路中使用磁隔離

；低端路徑未隔離。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

 

這款小型器件采用 SSOP-20W 封裝，尺寸為 6.5 × 8.1 × 2.0 mm
，兼容 3 V 和 5 V 驅動信號
，具有欠壓鎖定等功能。請注意
，該 IC 通過了 AEC-Q100 認證，即符合嚴苛的汽車可靠性標準。盡管“通過汽車級標準鑒定”而非“工業級”
，但是一些設計人員更傾向於在 BOM 中指明通過了 AEC-Q100 認證的器件，藉此強調其產品可靠性可滿足工業應用的苛刻環境條件。這些環境條件包括電湧和 EMI/RFI、極端溫度的熱應力以及熱循環和振動導致的機械故障。

 

電流測量

在zai許xu多duo電dian源yuan轉zhuan換huan器qi設she計ji中zhong，需xu要yao了le解jie從cong輸shu出chu端duan流liu向xiang負fu載zai的de電dian流liu，而er且qie這zhe在zai幾ji乎hu所suo有you工gong業ye應ying用yong中zhong都dou至zhi關guan重zhong要yao。在zai某mou些xie情qing況kuang下xia，需xu要yao利li用yong該gai電dian流liu值zhi為wei轉zhuan換huan器qi提ti供gong反fan饋kui以yi實shi現xian閉bi環huan性xing能neng；在zai工gong業ye環huan境jing中zhong，還hai需xu監jian控kong負fu載zai以yi及ji電dian機ji失shi速su或huo故gu障zhang等deng情qing況kuang。連lian續xu實shi時shi測ce量liang電dian流liu的de一yi種zhong方fang式shi是shi檢jian測ce負fu載zai串chuan聯lian的de電dian阻zu兩liang端duan的de電dian壓ya。通tong常chang稱cheng之zhi為wei分fen流liu電dian阻zu器qi，但dan是shi在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia該gai電dian阻zu器qi的de作zuo用yong並bing非fei如ru此ci。

 

從(cong)概(gai)念(nian)上(shang)說(shuo)
，這(zhe)種(zhong)電(dian)流(liu)測(ce)量(liang)方(fang)式(shi)隻(zhi)是(shi)單(dan)純(chun)應(ying)用(yong)歐(ou)姆(mu)定(ding)律(lv)而(er)已(yi)。然(ran)而(er)，在(zai)大(da)電(dian)流(liu)工(gong)業(ye)轉(zhuan)換(huan)器(qi)設(she)備(bei)等(deng)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)

，卻(que)麵(mian)臨(lin)著(zhe)諸(zhu)多(duo)挑(tiao)戰(zhan)。首(shou)先(xian)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)確(que)定(ding)適(shi)當(dang)的(de)電(dian)阻(zu)值(zhi)。此(ci)時(shi)就(jiu)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)權(quan)衡(heng)：電阻器阻值較大則 IR 壓降更大
，可藉此提高分辨率和抗噪性
，但同時耗散功率也更大，以致降低負載的軌電壓
，並且可能對控製器/負載回路的穩定性產生不利影響。

 

一般而言，開始時最好選用在最大電流下使其兩端電壓降約為 100 mV 的電阻值。經數學計算可知，檢測電阻值僅為毫歐級，與其他電路功能中常用的數千歐甚至更大的阻值形成鮮明對比。

 

確que定ding電dian阻zu值zhi後hou，設she計ji人ren員yuan就jiu必bi須xu選xuan擇ze特te定ding的de物wu理li元yuan器qi件jian。鑒jian於yu電dian流liu值zhi的de大da小xiao

，相xiang較jiao於yu大da多duo數shu其qi他ta電dian阻zu器qi，檢jian測ce電dian阻zu器qi的de額e定ding功gong率lv必bi須xu相xiang對dui較jiao大da。此ci外wai，不bu隻zhi是shi室shi溫wen下xia可ke提ti供gong高gao精jing度du，而er必bi須xu采cai用yong相xiang應ying的de材cai料liao和he製zhi造zao技ji術shu以yi確que保bao較jiao小xiao的de電dian阻zu溫wen度du係xi數shu (TCR)。TCR 較小時，即使環境溫度升高或因自熱引起的溫度升高，阻值也不會明顯變化。

 

ROHM 的 PSR400ITQFF0L50 分流電阻器正是一個典型範例
，充分展示了這類看似簡單的無源元件之複雜性。這款 4 W 金屬元器件的阻值僅為 500 µΩ（1 mΩ 的一半）±1%（圖 9）。

 

圖 9：ROHM 的 PSR400ITQFF0L50 等電流檢測電阻器是精密無源元件
，采用專用材料和技術製造，標稱值僅為毫歐級且 TCR 非常小。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

 

PSR400ITQFF0L50 看起來隻是一塊彎曲的金屬板，然而物亦不可貌相。這款 5.2 × 10 mm 的元器件由銅和金屬氫化物精心混合製成，TCR 僅為 ±175 ppm/℃。該係列的其他電流檢測電阻器中
，TCR 較之更大或更小者均有。相比之下
，常用低成本標準電阻器的 TCR 約為 ±2000 至 ±4000 ppm/℃，是這些超小阻值金屬板型大功率分流電阻器的十至二十倍。

 

在大電流下使用分流電阻器時，必須認真考慮物理安裝
、sanreyijidianqilianjie。duiyuhaooujidianzuqi，kaierwenlianjiesuoxudesixiandoubixujuyoujixiaodedianzu。ciwai，haixujuyouwulilianjieduanzi，yibianchanshengyouxiaodushuqiebushoulianjiedianzuyingxiang。

 

總結

鑒於應用環境的壓力，工業電源和轉換器設計人員在實現性能、成本、空間和可靠性要求方麵均麵臨著一係列獨特的挑戰。功率水平較高時，還需要考慮能效
、散熱和封裝。此外，柵極驅動器和電流檢測問題也需要解決。

 

在充分考慮應用要求的情況下，上述工業電源核心構件（包括分立器件、集成器件和模塊化功率器件）可輕鬆應對工業級電源和轉換器的挑戰。