询问大多数工程师和设计师，他们会告诉你，今天用于将高压电源转换为不同电压的变压器很大、效率低、速度慢。
作者：Allegro Microsystems电流传感器产品线经理Matt Hein
为了解决当今变压器的问题，一种解决方案提供了行业首创的以极快速度移动的功率转换功能。
 
隔离式DC-DC转换器——电源转换的常见元件
隔离DC-DC转换器允许高效的高压功率转换。由于采用了两个电容器（C）、两个电感器（L）和一个隔离变压器（另一个L），隔离DC-DC转换器的一种常见实现方式被称为“CLLLC”。这种架构使用两侧都有有源桥的谐振储能电路，实现了超过97%的效率。
还有其他方法可以实现高压功率转换，但CLLLC之所以流行有两个原因。首先，CLLLC架构具有隔离性，这是消费者可能与之交互的许多应用的监管要求。这些系统必须防止通过隔离屏障到电网的硬电路，隔离变压器可以满足这一需求。
 

图1：CLLLC隔离DC-DC转换器的框图
 
其次，与大多数其他方法相比，CLLLC架构提供了最高的效率。在车载充电器等应用中，功率转换的额定功率高达22kW，每百分之一的功率损失都会导致车辆充电时间变慢，浪费的能源更多，需要消费者支付。22kW系统中总功率的1%相当于220W，与索尼PlayStation 5的能耗相似。
一些将高电压转换为低电压（如12V）的系统使用称为LLC转换器的类似架构。这种结构省略了一些次级侧组件以产生高电流、低电压输出。
 
隔离式DC-DC转换器的常见应用
高压电力转换尤其存在于电动汽车、电动汽车充电基础设施、太阳能串逆变器、储能系统和数据中心电源中。
电动汽车
在电动汽车动力总成中，高压汽车电池（通常为400V或800V）通过车载充电器模块充电。使用隔离的LLC转换器将高压转换为12V或48V，该转换器用于车辆子系统，如动力转向、制动或信息娱乐。这些系统的关键客户痛点是充电时间和车辆续航里程，这受到效率和系统尺寸/重量的影响。


图2：电动汽车动力系统的高级框图
 
电动汽车充电基础设施
原则上，电动汽车的快速充电器是一种非常高功率的非车载充电器。它们直接为车辆电池充电，并绕过车载充电器。直流充电器的输出范围从20kW（如最高功率的车载充电器）到惊人的300kW，可以在短短30分钟内为电动汽车充满电。DC充电器通常由多个5至20kW的低功率模块并联构成，以提供如此高的电流输出。客户的主要痛点是充电时间，这受到效率的影响。
太阳能串逆变器
太阳能串逆变器捕获太阳能并将太阳能从太阳能电池板串转换为储能系统或电网能量。典型的住宅串逆变器额定功率为3-10kW，可接受高达1000V的电池板串输入。商用串式逆变器的功率可达100kW。尽管与其他系统相比，住宅串式逆变器输出的功率相对较低，但效率是一个关键的设计重点。更高的效率可以为家庭节省或产生更多的资金，并加快太阳能装置的回报时间。
储能系统
储能是任何清洁能源战略的关键部分。太阳能仅在白天可用，需要储存起来，以便在没有太阳时使用。清洁能源存储系统包括为电池组充电的电力转换。虽然铅酸电池仍在使用，但锂离子电池已经占据了很大一部分市场。一个典型的住宅储能系统需要储存10kWh，并且能够在任何给定时间输出5kW。对于使用这些系统的客户来说，效率是关键。


图3：DC快速充电器的高级框图
 
数据中心电源
云计算和人工智能（AI）服务的广泛使用推动了全球对数据中心处理能力的需求增加。数据中心安装中的一个服务器机架将包含多个服务器电源，每个服务器电源使用一个隔离的LLC转换器产生1-4kW的功率，供系统在12V或48V电源上使用。虽然与其他应用相比，这种功率输出可能看起来很小，但功率密度需求非常严格。Open Compute Project M-CRPS的最新数据中心标准要求外形尺寸仅为265毫米乘73.5毫米或更小。
 
高压电力转换的发展趋势
上述应用从更高的效率和更高的功率密度中受益匪浅。
许多系统设计人员正在考虑从传统的硅（Si）MOSFET转向氮化镓（GaN），以追求更高的效率和更高的功率密度系统。其两个主要原因是较低的传导和开关损耗以及较高的开关频率。GaN晶体管也不会像传统MOSFET那样遭受反向恢复损耗。


图4：太阳能串逆变器的高级框图
 
GaN晶体管允许更高的开关频率，从而实现更小的变压器和电感器。通常，电感器尺寸的减小率与工作频率成反比。例如，如果频率从100kHz增加到400kHz，变压器尺寸可能会减小约75%。由于功率电感器和变压器通常是电路板上最大的组件，因此减少它们的占地面积可以显著减小整个系统的尺寸。
 
GaN对传统电流传感器提出挑战
虽然GaN有助于系统设计人员实现更高的效率和功率密度，但与电流传感相关的两个新挑战。GaN组件可能遭受非常快速的热失控，需要一个可以在不到200纳秒内响应的保护电流传感器。此外，减小变压器尺寸所需的这些更高的开关频率对速度太慢的传统电流传感器提出了挑战。
基于感测电阻器的电流传感器在这些应用中受到影响，因为它们不够快。基于高压电流分流的方法使用隔离屏障，其中电流信息在初级侧数字化，通过屏障发送，并在次级侧重建。该过程通常将基于感测电阻器的解决方案的带宽限制在500kHz及以下。基于感测电阻器的解决方案还需要多个外部组件和一个隔离的稳压器来运行，这意味着解决方案的尺寸很大。
 

图5：清洁能源存储系统的高级框图
 
电流互感器（“CT”）通常用于高压和高速电流传感应用，因为它们可用于测量超过1MHz的频率。然而，它们有一些主要缺点。CT的占地面积和高度很大，这限制了功率密度。该解决方案需要多个外部组件来整流和缓冲电流互感器输出。CT只能测量窄范围的交流频率，不能测量DC信号——在DC测量的情况下，需要安装额外的电流传感器。
目前可用的磁电流传感器的速度限制在最大1MHz。虽然这些可以在某些应用中使用，但它们没有快速GaN保护所需的速度。
 
Allegro Microsystems推出具有行业领先速度的磁电流传感器
为了应对GaN采用中的当前传感挑战，Allegro发布了一个新的电流传感器产品系列——ACS37030和ACS37032，带宽为5MHz。这些产品比上一代磁电流传感器快5倍。
由于专有的双传感和信号路径，ACS37030/32 5MHz磁电流传感器实现了比任何其他类似电流传感器更高的带宽。Allegro开发了一种创新的解决方案，将用于低频的斩波稳定霍尔与用于高频传感的硅基线圈传感器相结合。两条信号路径在内部组合，以提供跨越DC至5MHz的单个传感器输出。传感器的响应时间是惊人的40ns，足以帮助保护GaN免受热失控。
 

图6：数据中心电源的高级框图
 
与ACS37030/32业界领先的带宽相辅相成的是更好的系统功率密度功能。该器件集成了增强的隔离能力，最高可达420 V_RMS（基本隔离能力可达840 V_RMS），无需外部隔离器组件。该解决方案采用小型增强型SOIC-8封装，导体路径电阻低至0.68 mΩ，可最大限度地减少大电流流动时的热量产生。
尽管ACS37030/32具有高集成度和高性能，但它是一种非常简单的器件，可以在任何系统中实现电流传感。该产品由3.3V电源供电，并提供与流过导体的电流成比例的模拟输出电压。无需客户编程或配置。有两种不同版本的器件可供选择：参考电压输出（ACS37030）或过电流故障输出信号（ACS37022）。


图7：变压器尺寸与工作频率的比较
 
ACS37030/32集成到电源转换系统中
ACS37030/32可用于CLLLC电路的多个不同位置，为GaN保护和功率转换控制提供电流感测反馈。GaN保护可以通过将单个电流传感器与每个GaN组件串联来实现，但这可能需要比实现系统目标实际需要更多的组件。通常，电流传感器放置在电源和/或地线上，以提供公共电流反馈，从而防止GaN硬短路事件（组件呈现低阻抗）或半桥对电源或地短路。对于系统控制，可以在CLLLC电路的两侧放置一个或两个电流传感器，以监测电流并计算功率转换的工作功率。
 
www.allegromicro.com