0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看威廉希尔官方网站 视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

面向新太空应用的DC-DC转换器解决方案

Vicor 来源:Vicor 2024-10-12 17:24 次阅读

小型卫星收集的能量较少,随着运营商越来越多地使用更快速的板载处理,应尽可能多地将电力预算分配给有效载荷。传统的配电架构包括一个隔离式 DC-DC 转换器(用来降低外部母线输入电压),然后是本地化的负载点(POL)转换器;但由于 I²R 损耗较大,这种架构变得效率低下。为了完成新一代太空任务,需要在转换损耗、功率密度、物理尺寸以及与最新超深亚微米器件开关速度相匹配的瞬态响应等方面做出改进。

3a2f361a-877d-11ef-b8af-92fbcf53809c.jpg

图 1:FPA 与传统中间架构的对比。

Vicor 的分比式电源架构(FPA)采用模块化方法,可以最大限度地减少 I²R 分配损耗,提高效率并改善瞬态响应。FPA 包括两个阶段:稳压和变压。首先,使用一个升降压(buck-boost)拓扑,从外部电源生成 48V 中间电压轨,这比通常输入到 POL 的较低母线电压要高得多。例如,对于相同的功率,48V 输出母线所需的电流比 12V 中间母线(P = VI)低 4 倍,而 PDN 损耗是该电流的平方(P = I²R),其可将损耗降低 16 倍。先配置稳压器并稳压至 48V 输出,将实现最高的效率。

3a4b72bc-877d-11ef-b8af-92fbcf53809c.jpg

图 2:全桥 SAC 串联谐振拓扑

FPA 的第二阶段使用变压器将 48V 中间电压轨转换为所需的负载电压。输出电压是输入电压的固定比例(K 因数),由匝数比决定。电压降低的同时,电流会相应增加,例如,1A 的输入电流可能会倍增至 48A 的输出电流:

3a61ad2a-877d-11ef-b8af-92fbcf53809c.jpg

预稳压模块(PRM)和变压模块(VTM)的电流倍增器相结合,形成了 FPA。这两款器件相互配合,发挥其作用以完成 DC-DC 转换。PRM 把未稳压的输入电源转换为稳压后的“分比式母线”,然后由 VTM 将 48V 转换(降压)为所需的负载电压。

VTM 的高带宽可避免对大容量负载点电容的需求。即使没有任何外部输出电容,VTM 的输出在应对突发功率激增时也只会出现有限的电压扰动。少量的外部旁路电容(采用低 ESR/ESL 陶瓷电容)就足以消除任何瞬态电压过冲。VTM 提供独特的电容倍增功能,而不会受到内部控制环路努力维持稳压带来的带宽限制。例如,当使用 1/48 的 K 因数时,有效的并联输出电容是输入电容的 2304 倍,即CSEC= CPRI* K²。这意味着 VTM 下游所需的去耦电容显著减少,只需在其输入端添加少量电容,就能达到与传统降压模块 1V 输出端通常添加的大型钽电容相同的能量存储效果,如下所示。低阻抗是高效地为低电压、高电流负载供电的关键要求,使用 VTM 还可以将从二次侧(secondary side)看到的有效电阻降低 K² 倍。这允许将 VTM 放置在靠近负载的位置,无论是横向还是纵向,使配电网络(PDN)的损耗更低。FPA 的低电流、高电压中间母线意味着 PRM 可以物理上远离 VTM 而不影响效率。这在决定 PRM 的放置位置时提供了更大的灵活性,减少了对负载区域拥塞的担忧,并为电源平面的设计提供了更多自由,以实现最大的电流密度。这种布局规划与传统的砖块方法大不相同,后者要求隔离式 DC-DC 和 POL 靠近放置,以最小化 I²R 分配损耗。

目前的航天级隔离式 DC-DC 转换器和降压 POL 都是基于 PWM 的器件,输出功率与开关频率的占空比成正比。这些硬开关转换器使用方波来驱动电感器或变压器,MOSFET 在开关时会损耗能量。方波包含大量谐波,必须进行滤波,否则会通过传导或辐射影响整个系统。VTM 的拓扑在原边绕组中使用正弦电流,产生更清洁的输出噪声频谱,所需的滤波更少。现有的航天级降压稳压器和正向/反激式 DC-DC 转换器的效率分别在 67% 到 95% 和 47% 到 87% 之间。

为了满足未来新太空应用星座的电力分配以及低电压、高电流需求,Vicor 正在为其正弦振幅转换器(SAC)拓扑结构申请航天级认证。与现有的航天级 DC-DC 转换器相比,这种零电流开关/零电压开关(ZCS/ZVS)威廉希尔官方网站 的效率更高,功率密度更大,电磁干扰(EMI)更低。SAC 是一种基于变压器的串联谐振正向架构,以与初级谐振电路谐振频率相同的固定频率运行,如下文所示:

一次侧的场效应晶体管(FET)被锁定在串联谐振电路的自然谐振频率上,并在零电压交叉点开关,消除了功率损耗并提高了效率。在谐振状态下,电感和电容的反应相互抵消,最小化输出阻抗,使其变为纯电阻,从而减少压降。由此产生的极低输出阻抗使 VTM 能够几乎瞬时(<1μs)响应负载的阶跃变化。流经谐振电路的电流为正弦波,谐波含量较少,从而形成更清洁的输出噪声频谱,需要对负载电压进行的滤波更少。

SAC 采用正向拓扑,输入能量直接传递到输出。一次侧的漏感被最小化,因为它不是关键的储能元件。SAC 正向拓扑的独特操作方式使其能够实现更高的开关频率,使用的磁性元件更小,固有损耗更低。由此带来的效率提升意味着能量转换过程中浪费的功率更少,可以简化热管理,并允许以更小的封装提供更大的输出电流和更高的功率密度。更快的操作频率使能量可以更频繁地传输到输出端,提高了对动态负载变化的瞬态响应能力,仅需几个周期。

Vicor 的 DC-DC 部件已通过波音公司的风险评估,并被设计用于提供航天级互联网服务的 O3b 卫星。初期,Vicor 将提供四种耐辐射的 DC-DC 转换器:

3a717278-877d-11ef-b8af-92fbcf53809c.png

图 3:新型 BCM、PRM 和 VTM 耐辐射 DC-DC 转换器。

01300W、9A、849W/in³ 的隔离式 ZVS/ZCS SAC 母线转换模块(BCM3423PA0A35C0S)。接受 94 至 105V 的直流输入,输出固定为输入 31 至 35V 的 1/3。最大环境效率为 94%,封装尺寸为 33.5 x 23.1 x 7.4mm,重量为 25.9g。

02200W、7.7A、797W/in³ 的非隔离式 ZVS 升降压稳压器(PRM2919P36B35B0S)。接受 30 至 36V 的输入电压,输出可调电压范围为 13.4 至 35V。最大环境效率为 96%,封装尺寸为 29.2 x 19.0 x 7.4mm,重量为 18.2g。

03200W、50A、1204W/in³ 的隔离式 ZVS/ZCS SAC DC-DC 转换器(VTM2919P32G0450S)。接受 16 至 32V 的输入电压,输出电压固定为输入电压的 1/8,范围为 2 至 4V。最大环境效率为 93%,封装尺寸为 29.2 x 19.0 x 4.9mm,重量为 11g。

04150W、150A、903W/in³ 的隔离式 ZVS/ZCS SAC DC-DC 转换器(VTM2919P35K01A5S)。接受 13.4 至 35V 的输入电压,输出电压固定为输入电压的 1/32,范围为 0.42 至 1.1V。最大环境效率为 91%,封装尺寸为 29.2 x 19.0 x 4.9mm,重量为 13.3g。

这四款 DC-DC 转换器采用了冗余系统架构,包含两个相同的并联动力系统,并具有容错控制,以满足单粒子效应(SEE)要求。为了降低制造成本,这些部件采用了镀层环氧树脂模塑 BGA 封装,具有出色的导热性,被命名为 SM-ChiP,兼容标准的表面贴装、“拾取和放置”(pick-&-place)以及回流焊接工艺。这些 DC-DC 转换器属于 EAR99 管制类别,工作温度范围为 -40 至 125°C,并提供多种过压、短路电流、欠压和热保护功能。目标总剂量辐射耐受度为 50kRad(Si);SEE 和其他可靠性数据将在今年晚些时候发布。

为了突显这些新型耐辐射 DC-DC 转换器的卓越功率密度,图 4 和图 5 分别比较了它们与现有航天级开关 POL 和隔离式 DC-DC 转换器的相对尺寸。每个转换器的功率密度(W/in³)、效率(%)和电流密度(A/in²)分别用蓝色、橙色和红色标注。通常会为不同的负载条件指定一系列效率值。

3a9f8faa-877d-11ef-b8af-92fbcf53809c.png

图 4:航天级开关 POL 与 VTM2919 系列的比较。

3abdbf8e-877d-11ef-b8af-92fbcf53809c.jpg

图 5:航天级隔离式 DC-DC 与 BCM 及 PRM 的比较。

与现有的合格转换器相比,新型抗辐射商用现货 SAC DC-DC 转换器的体积和规格更小,实现了输出功率、密度和效率的大幅提升。稳压后的电压更加清洁,需要的大容量去耦电容更少。这些部件将从明年开始积累使用经验,目前已有评估板可供使用。

3af091b6-877d-11ef-b8af-92fbcf53809c.jpg

图 6:用于航天器航空电子设备的模块化 100V 配电解决方案。

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 电源
    +关注

    关注

    184

    文章

    17710

    浏览量

    250050
  • 转换器
    +关注

    关注

    27

    文章

    8700

    浏览量

    147132
  • DC-DC
    +关注

    关注

    30

    文章

    1946

    浏览量

    81632
  • Vicor
    +关注

    关注

    4

    文章

    194

    浏览量

    58481

原文标题:面向新太空应用的 DC-DC 转换器

文章出处:【微信号:Vicor,微信公众号:Vicor】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    DC-DC转换器电路图 Boost升压型DC-DC转换器的工作原理

    DC-DC转换器分为三类:Boost升压型DC-DC转换器、BUCK降压型DC-DC转换器以及
    发表于 09-19 11:25 3204次阅读
    <b class='flag-5'>DC-DC</b><b class='flag-5'>转换器</b>电路图 Boost升压型<b class='flag-5'>DC-DC</b><b class='flag-5'>转换器</b>的工作原理

    DC-DC升压转换器原理!#电路原理

    电路分析升压转换器DC-DC升压DC-行业资讯
    学习电子知识
    发布于 :2022年10月20日 23:12:35

    DC-DC升压转换器原理! #硬声创作季

    电路分析DC-DC转换器DC-
    学习硬声知识
    发布于 :2022年10月30日 18:20:35

    DC-DC降压转换器工作原理! #硬声创作季

    电路分析DC-DC转换器DC-
    学习硬声知识
    发布于 :2022年10月30日 18:21:26

    DC-DC转换器

      DC-DC转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器DC/DC转换器分为
    发表于 03-09 14:20

    DC-DC转换器

      DC-DC转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器DC/DC转换器分为
    发表于 04-19 11:43

    Ameya360新能源汽车电池DC-DC转换器模块解决方案

    。目前 DC/DC 变换的效率可以很高,达到 90% 以上。2、 方案概述Ameya360 新能源汽车电池 DC-DC
    发表于 11-29 13:38

    电子书:DC-DC 转换器的应用与设计方案

    原理DC-DC升压转换器的作用汇总记住这十一条,轻松搞定DC DC电源转换电路设计如何使用一个DCDC
    发表于 03-14 16:52

    非隔离式的DC-DC转换器解析

      非隔离式的DC-DC转换器都是基于降压,升压以及降压-升压型DC-DC转换器而衍生出来的,下面就简单介绍一下这三种DC-DC
    发表于 12-09 15:28

    DC-DC转换器和AC-DC转换器的区别及功能

    最近有网友问:什么是DC-DC转换器DC-DC转换器是如何命名的?泰德兰电子小编在这里和大家分享一下关于什么是DC-DC
    发表于 11-17 06:24

    非隔离DC-DC转换器的功能特点

    SynQor为高输入电压的非隔离DC-DC转换器提供了高功率、可变电压、输出电压的独具特色解决方案。SynQor军用高压、非隔离DC-DC转换器
    发表于 09-29 17:45 2553次阅读

    DC-DC转换器原理

    DC-DC转换器原理(不间断电源威廉希尔官方网站 参数)-DC-DC转换器原理,有需要的可以参考!
    发表于 09-15 18:13 125次下载
    <b class='flag-5'>DC-DC</b><b class='flag-5'>转换器</b>原理

    什么是DC-DC转换器DC-DC转换器是如何命名的?

    最近有网友问:什么是DC-DC转换器DC-DC转换器是如何命名的?泰德兰电子小编在这里和大家分享一下关于什么是DC-DC
    发表于 11-09 19:20 46次下载
    什么是<b class='flag-5'>DC-DC</b><b class='flag-5'>转换器</b>?<b class='flag-5'>DC-DC</b><b class='flag-5'>转换器</b>是如何命名的?

    DC-DC转换器电路图 Boost升压型DC-DC转换器的工作原理

    DC-DC转换器电路图 Boost升压型DC-DC转换器的工作原理 Boost升压型DC-DC转换
    的头像 发表于 01-19 18:28 2903次阅读

    降压型DC-DC转换器与升压型DC-DC转换器的输出纹波差异

    关于降压型和升压型DC-DC转换器的输出纹波差异,我们将分“降压型DC-DC转换器的输出纹波电压”和“升压型DC-DC
    的头像 发表于 04-24 10:04 1616次阅读
    降压型<b class='flag-5'>DC-DC</b><b class='flag-5'>转换器</b>与升压型<b class='flag-5'>DC-DC</b><b class='flag-5'>转换器</b>的输出纹波差异