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。

 

benwenjieshaoleshiyongyugongyedianyuanyingyongdegezhongdianyuanzhuanhuanqituopu
，yijishejirenyuanzaixuanzetuopujiqixiangguanyuanqijianzhiqianbixukaolvdeyinsu。ciwai
，haijieshaole 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

選(xuan)擇(ze)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)器(qi)以(yi)開(kai)發(fa)滿(man)足(zu)工(gong)業(ye)應(ying)用(yong)苛(ke)刻(ke)要(yao)求(qiu)的(de)電(dian)源(yuan)時(shi)
，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)在(zai)多(duo)個(ge)選(xuan)項(xiang)和(he)利(li)弊(bi)權(quan)衡(heng)與(yu)項(xiang)目(mu)優(you)先(xian)考(kao)慮(lv)因(yin)素(su)之(zhi)間(jian)取(qu)得(de)平(ping)衡(heng)。實(shi)現(xian)方(fang)法(fa)眾(zhong)多(duo)，但(dan)最(zui)常(chang)用(yong)的(de)是(shi)先(xian)估(gu)算(suan)電(dian)源(yuan)所(suo)需(xu)功(gong)率(lv)（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：youyukongqiliutongshouxianhuoquefazhudongshilengque
，xuduoshebeidehuanjingwendukenenghengao。guorehuishiyuanqijianchanshengyingli
，suoduanguzhangjiange
，xuyaogenghuantingjishijianbingzengjiachengben。dianyuanzhuanhuanqinengxiaodihuijiazhonghuanjingrefuhe。

 

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）tigao，gonglvqijianfengzhuangdezhongyaoxingsuizhitisheng

，dandushiyongfenliqijiandenanduyexiangyingzengda。zaizhezhongqingkuangxia，lianggehuoduogegonglvqijiandeyufengzhuangmokuaishigengshouqinglaidexuanze。liru
，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——cidianyahedianliuzuhexiadezhongyaokaolvyinsu
，yinweigaimokuaikeqingsongshixianqijianyudianlubanhuosanreqidewulilianjie，jubeijixiewanzhengxingbingquebaoyudianyuanxiandewengulianjie。

 

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

zaixuduodianyuanzhuanhuanqishejizhong，xuyaolejiecongshuchuduanliuxiangfuzaidedianliu，erqiezhezaijihusuoyougongyeyingyongzhongdouzhiguanzhongyao。zaimouxieqingkuangxia，xuyaoliyonggaidianliuzhiweizhuanhuanqitigongfankuiyishixianbihuanxingneng
；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。

 

quedingdianzuzhihou，shejirenyuanjiubixuxuanzetedingdewuliyuanqijian。jianyudianliuzhidedaxiao，xiangjiaoyudaduoshuqitadianzuqi，jiancedianzuqideedinggonglvbixuxiangduijiaoda。ciwai，buzhishishiwenxiaketigonggaojingdu
，erbixucaiyongxiangyingdecailiaohezhizaojishuyiquebaojiaoxiaodedianzuwenduxishu (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。