半桥隔离式直流-直流转换器设计

已创建：March 4, 2022
已更新：July 1, 2024

尽管几乎所有的电网电力都是直接以交流电形式产生的，但我们日常使用的电子设备依赖于直流电。在替代能源、电动汽车、基础设施、电机控制和机器人技术等新兴技术中，都依赖于能够接受交流输入、将其整流为直流，并将其转换为所需的标准电压，同时具有高效率和高功率密度的电源转换器。在这些先进技术中，功率密度和效率非常重要，因为这些系统都依赖于以标准电压快速响应时间的高功率传输。

选择直流-直流转换器拓扑非常重要，因为它将决定所需的功率密度和调节水平，以及可以从系统中提取的绝对功率量。我上面提到的现代应用依赖于半桥隔离直流-直流转换器，以平衡高效率电力传输与成本和占地面积的需求。

为什么选择半桥拓扑而不是全桥拓扑呢？当我们审视围绕半桥拓扑的设计要点时，其相对于全桥拓扑的一些优势应该变得明显。我们将检查这些要点，并展示一些示例组件，您可以使用它们来实现自己的半桥隔离直流-直流转换器设计。

隔离半桥拓扑

半桥直流-直流转换器电路在实现驱动、整流、滤波、EMI减少和控制的系统中有一些共同的元素：

耦合元件：这通常指脉冲/功率变压器，或者光耦合器。开关元件的选择取决于功率输出以及耦合元件的位置和哪个信号被耦合到输出。注意，耦合机制可以内置于门驱动器中。
开关元件：过去这通常是双极性Si晶体管，但新系统正在使用GaN或SiC FETs作为开关元件，以确保高效的电力转换。
门驱动电路：驱动器通常是一个高度集成的PWM发生器，可能会根据开关FETs的门驱动特性在逻辑级别操作。这些组件有时会有一个集成的电流感测引脚，如果有任何波动，驱动器将调整输出。
二极管：这些整流元件通常位于驱动电路/FETs位于输入侧时的输出侧，或者相反。这将确保输出电流始终以相同的方向流动，无论输入电流的方向如何。

下面展示了一些半桥隔离直流-直流转换器设计的示例。您会注意到，耦合元件可以将门驱动信号或功率耦合到输出。

我没有在驱动电路中加入反馈，只是为了防止上面的图片变得杂乱。然而，你当然可以通过一个电流感测电阻和一个电流感测放大器来加入一个反馈环。一些高度集成的驱动组件会内置这种功能，因为它们不是高度可配置的，意味着它们驱动特定的FET以向负载提供特定的电压水平。在任何驱动阶段位于输入侧的电路中，你都需要使用光耦来跨越隔离。

电源还是门驱动耦合？

这些示例实现了两种类型的耦合：电源耦合和门驱动耦合。只有左上角的实现直接将电源耦合到输出，因此它将用于向负载提供高功率。二极管需要具有高反向击穿电压。输出电感（L1）也需要具有非常低的直流电阻/高电流额定值，以处理传递的功率。这种类型的系统可以根据负载要求以升压或降压模式使用。这种类型的系统通常会作为一个独立的板卡实现，例如在专用的PSU中。

上面显示的所有其他方法都是耦合一个门驱动信号或门使能信号。在门驱动信号被耦合的情况下，耦合元件通常会是一个光耦，假设门驱动处于逻辑电平，尽管也可以使用变压器。所有这些都可以集成到门驱动电路中；除非超出功率额定值是任何关注的问题，否则不必将其放置在单独的组件中。

实现隔离

当输出电流非常高时，将需要隔离。这些电路在如何实现隔离方面的组件各不相同。就PCB布局而言，实现隔离很简单；你只需将地平面分割成两个网络，位于系统的输入和输出侧之间。这在系统的每一侧（输入/输出或主/次）创建了两套不同的电流环路。

门驱动耦合

在门驱动耦合电路中，隔离以三种可能的方式实现：使用光耦、变压器或在门驱动电路中使用结隔离。具体使用哪种方法取决于如何跨隔离间隙耦合功率。如果仅仅是门驱动信号，将是低电压/电流，则光耦或隔离结将是适当的。光耦可以用来仅耦合启动驱动组件的使能信号（在上面的示例中左下角），或者PWM信号可以使用光耦或小型变压器跨隔离间隙耦合（右侧的两个电路）。

在上述三种情况中，直流-直流转换器的功能实际上是从输出端的源调制功率传递。上述情况中的“负载”则可能是降压/升压转换器中的标准整流阶段，或可能是带有额外变压器的反激转换器。这将会接收脉动输出并将其转换为稳定的直流电压。

功率耦合

如果功率直接耦合到输出端，它将在变压器的初级侧被切换，然后耦合到输出侧。地平面间隙需要直接放置在变压器线圈之间的典型位置。下面展示了这种实现的例子，其中功率完全由V_IN网络提供。这应该解释了为什么初级侧半桥驱动器实现通常会在隔离电源设计中找到。

地线网络也需要通过一个安全电容器（如Y型电容器）连接在一起。电容器应该放置在转换器两部分之间的地面间隙上，并且它的电容量应该超过用于耦合的任何变压器的绕组间电容。确保电容器的漏电流不要太大，因为这可能会在用户与输出侧的地线端子接触时造成轻微的电击。

使用哪种类型的FET？

FET的选择在上述拓扑中也很重要，因为这将有效地决定转换器作为功率传递设备的操作限制。在上述实现中，所使用的FET类型不会影响电路的总体设计，至少在其拓扑结构方面是这样。相反，应根据所需的电压或切换速度选择FET（GaN、GaAs、SiC等），特别是如果功率将直接通过输出端提取。需要提供给设备的总功率也很重要，因为这些组件在用于提供过高电压时可以迅速过热。

半桥与全桥直流-直流转换器

全桥拓扑遵循与半桥转换器中关于切换和整流的相同概念性思想，但它使用MOSFET库中的H桥排列来实现切换。换句话说，这需要至少4个晶体管和一个协调的驱动电路。就像在半桥直流-直流转换器中一样，控制可能通过通过电流感测电阻将输出反馈到驱动电路的反馈回路来实现。然后可以调整驱动器的PWM信号以补偿输出相位差异或输出电压的下降。

通常，全桥DC-DC转换器会在谐振LLC拓扑中使用，MOSFET组位于脉冲变压器的初级侧。然而，你完全可以将MOSFET组放置在系统的输出侧。下表提供了全桥和半桥DC-DC转换器选项的比较，包括它们的一些优点和缺点。

从上表中，我们可以简要总结使用全桥与半桥DC-DC转换器拓扑的权衡。全桥拓扑可以获得比半桥拓扑更高的输出功率；为了使两者相等，你可能需要在半桥排列中使用并联的FET，并将组件放置在输出侧。然而，更高的功率和更低的纹波的权衡是潜在的双倍开关噪声，以及在系统的功率输出节点实施时，需要物理更大的感性元件。全桥系统的占地面积也更大，部分原因是由于更多数量的MOSFET，但也由于门驱动阶段。