如何破解您的 DC/DC 轉換器

「黑客」 通常是運用某些聰明而高超的技巧，以實現(xiàn)原本并沒有打算達到的目的。然而對于DC/DC轉換器這樣基本的模塊，該如何去破解呢?

本文將以隔離式柵極驅動器電源為例，展示四種可能的 DC/DC 轉換器“破解技巧”，以拓展更多的應用。這些技巧是以 RECOM 的 RxxPxx 系列轉換器為基礎，該模塊具有 6.4kVDC 基本隔離、工業(yè)工作溫度范圍和低隔離電容，因此特別適合為高壓隔離式柵極驅動器的電路供電。

重要提醒：如在電子器件的標稱規(guī)格操作范圍之外使用，質量保證將失效。如果您決定執(zhí)行以下任何一種解決方案，請?zhí)崆奥?lián)系制造商并征得他們的同意。

假設您有一個 SiC 晶體管應用需要大約 +15V 的正柵極驅動電壓和大約 -4V 的負柵極關斷電壓才能以最低的開關損耗達到最佳性能(圖 1)。

您查看制造商的規(guī)格書之后，發(fā)現(xiàn)具有這種特殊非對稱輸出電壓組合的隔離 DC/DC 轉換器的標準產品并不存在。接下來您可以做些什么?

圖 1：隔離式 SiC 晶體管柵極驅動器電路的簡化示意圖

技巧 #1：使用不符合規(guī)格的輸入電壓

在滿載時低功率非穩(wěn)壓 DC/DC 轉換器的輸出/輸入電壓變化率通常為 Vin 的 1.2%/1%。換句話說，如果輸入電壓高于或低于標稱值 10%，輸出電壓將提高或降低 12% 左右，因此任何輸入電壓的變化都會被放大。電壓比隨著負載降低呈線性提高，因此在 50% 負載下大約是 Vin 的 1.1%/1%，而在最小負載下則差不多一樣 (1%/1%)。為了比較不同制造商的規(guī)格書，電子業(yè)已將非穩(wěn)壓轉換器的線性穩(wěn)壓規(guī)范標準化，使電源電壓的標準化變化不超過 ±10%。但如果輸入電壓設置在此范圍之外會怎樣?

答案是轉換器仍可以工作，但不再保證性能會符合規(guī)格書中的數(shù)值。如果輸入電壓過低或過高，輸出電壓也會過低或過高也就是超出標稱范圍，但這在某些情況下可能很有用。下圖(圖 2)和測試結果(表 1)顯示了使用 RECOM R-REF01-HB 評估板以 1MHz PWM 開關信號驅動 SiC MOSFET 時測得的電路電壓：

圖 2：R12P22005D DC/DC 轉換器供電給有源 SiC 晶體管柵極驅動器，轉換器的規(guī)格為隔離+20/-5V 輸出、標稱 12V 輸入(左)和 10.8V 電源(右)，結果均在實際 60% 負載下測得。

表 1：60% 負載下測量2W 非對稱隔離式DC/DC 轉換器 (R12P22005D) 的電源電壓，分別為標稱 12V、標稱-10% 和超過標稱-20%

從這個技巧中可以看到將輸入電壓設定在標稱值的 -20% (9.6V) 會得出所需的非標準輸出電壓，即使輸入電壓超出了規(guī)格書中的數(shù)值。

這個技巧可以用到什么程度? 我們一起來看看：

表 2：60% 負載下測量2W 非對稱隔離式DC/DC 轉換器 (R12P22005D) 的標稱和超標的欠壓電源電壓(線性調節(jié) ≈ Vin 的 1.1%/1%)

另一個方向：

表 3：60% 負載下測量2W 非對稱隔離式DC/DC 轉換器 (R12P22005D) 的標稱和超標電源電壓(線性調節(jié) ≈ Vin 的 1.1%/1%)

我們可以看到即使輸入電壓遠遠超出規(guī)格書中 ±10% 限制，轉換器也不會突然停止工作。

警告：在規(guī)定的輸入電壓范圍之外運行轉換器會增加內部元器件應力，因此可能無法呈現(xiàn)規(guī)格書所列的數(shù)值，例如效率、輸出紋波和工作溫度范圍。如果輸入電壓非常低，此時增加輸入電流可能會導致初級側組件過熱。如果輸入電壓過高，可能會超過內部電容器和晶體管的電壓額定值。這兩種超標情況都可能使輸出電壓隨著環(huán)境溫度或負載的變化而明顯浮動，因此請謹慎使用此技巧!

為了更可靠地解決產生非標準 +15V/-4V不對稱輸出電壓組合的問題，我們需要使用部分調節(jié)的電路：

技巧 2：只調節(jié)其中一個輸出。

使用非對稱輸出 DC/DC 轉換器的時候(例如 +15/-9V 標稱輸出的 RxxP21509D)，如果一個輸出電壓正確，另一個就可以輕松地進行后調節(jié)至所需的輸出電壓。以我們的隔離式柵極驅動器電源為例，負軌輸出電流低于正軌電流因此可以使用齊納二極管和通用 NPN型雙極晶體管穩(wěn)壓器來解決(圖 3)。

圖 3：負軌穩(wěn)壓解決方案

該解決方案的優(yōu)勢是 DC/DC 轉換器是在規(guī)格書的范圍之內，因此性能和質量保證均不受影響，不降額即可在 -40°C 至 +85°C 的工業(yè)環(huán)境溫度范圍內正常運作。

此外，負軌現(xiàn)在已進行調節(jié)、保持固定且不受負載或輸入電壓變化的影響，可以選擇不同的齊納二極管電壓來設置在范圍內所需的電壓。如果正軌比負軌更重要則可以使用相同的技巧來調節(jié)正軌(請見技巧#3)。

這個方式的缺點是調節(jié)后的軌電流會受到晶體管功耗的限制。在這個例子中，NPN 型晶體管需要下降大約 5V，這將限制它的最大平均負載電流為 -100mA(注意：柵極峰值充電/放電電流由輸出電容器提供，因此只須考慮平均漏極電流)。

如果需要更大的輸出電流而不引起過度熱損耗，堆疊轉換器將是更好的解決方法：

技巧 #3：堆疊轉換器

柵極驅動器的平均功率取決于柵極驅動電壓擺幅、晶體管的柵極電荷和開關頻率。平均功率可以通過以下等式計算：

因此舉例來說，以較高的開關頻率或驅動并聯(lián)柵極來增加輸出電流時需要更高的柵極驅動功率。由于示例中的柵極驅動電壓是不對稱的 (+15V/-4V)，因此 Vgate 正擺幅需要比負擺幅更高的功率。當功率的消耗超出單個隔離 DC/DC 轉換器所能負荷的時候可以使用兩個不同的堆疊轉換器來加以解決(圖 4)。以下技巧在2W提供 +16V、0.7W提供 -5V：

圖 4：堆疊式 DC/DC 轉換器

R12P209D 雙輸出 DC/DC 轉換器在公共引腳斷開的情況下使用，產生非穩(wěn)壓的 18V/222mA 電源。然后通過齊納和 NPN型晶體管的組合調節(jié)至 +16V VDD 。由于 NPN 有兩倍的電流且只需將兩端的電壓降低一半，晶體管的功耗與技巧#2的大致相同。

再者，柵極驅動器的非隔離初級側的 5V 線性穩(wěn)壓器已被低成本 R-78E 開關穩(wěn)壓器模塊所取代，能以高達 500mA 的電流提供 5V 電壓。這為柵極驅動器初級側和提供隔離 -5V 輸出軌的 R05P05S DC/DC 轉換器供電，這意味著 12V 電源電壓的任何變化現(xiàn)在都在負軌中調節(jié)。使用調節(jié)過的電源供電給非穩(wěn)壓 DC/DC 轉換器可提高整體系統(tǒng)性能，同時也是下一個技巧概念的基礎：使用級聯(lián)轉換器。

技巧 #4：級聯(lián)轉換器

正如我們從技巧#1 中看到的，非穩(wěn)壓 DC/DC 轉換器的輸出電壓可以通過調節(jié)輸入電壓來加以「調整」。如果需要可調的非對稱隔離柵極驅動器電壓，添加一個低成本、非隔離和前置穩(wěn)壓的 DC/DC 模塊可以建立一個柵極驅動器電路且可以設在很寬的柵極電壓范圍之內。此技巧可運用在測試和檢查哪種正負驅動電壓組合可提供最高性能和最低損耗。之后可以安裝固定電壓微調電阻器來設定最有效的輸出電壓組合：

圖 5：可調的非對稱輸出隔離柵極驅動器電源

RPX-1.0 是一種特別有用的低成本 SMD DC/DC 模塊，因為它提供了非常寬的輸出電壓調節(jié)范圍 (0.8 – 30V) 以及出色的 1A 連續(xù)輸出驅動電流。可以使用兩個電阻器預設輸出電壓，或者如本技巧所示的使用微調電阻器。

與所有的技巧一樣，在超出預期用途的情況下使用任何產品時請小心謹慎，即使 “如果一個蠢方法有效，那它就不是一個蠢方法” 的格言是對的。

如有任何疑問，請聯(lián)系 RECOM 技術支持。我們可以測試解決方案并就您的特定應用的適用性提出建議。在批量生產方面我們可以改造標準轉換器以提供任何所需的輸入和輸出電壓組合，因此您的半定制解決方案可以享有完整的質量保證。