高功率开关模式电源（SMPS）：应用领域与设计

半桥拓扑基于正激式转换器设计，可扩展至更高功率等级。尽管其元件数量较少，在 230VAC 及功率因数校正（PFC）应用中成本优势明显，但存在一定局限性。为防止桥臂直通电流，开关周期之间需设置死区时间，这导致占空比降至约 45%。此外，该设计中的变压器在每个周期仅承受一半输入电压，因此体积更大。

全桥转换器通过采用四个开关管，使变压器原边在每个周期都能承受完整输入电压，从而克服了半桥设计的局限性。尽管其定时电路更复杂，且需要两个隔离式高侧驱动器，但该设计可实现接近 50% 的占空比，大幅提升效率并降低开关损耗。在高功率应用中，额外增加的元件成本相对可控。

谐振型 LLC 转换器因常能实现 90% 以上的高效率，在高功率应用中备受青睐。该拓扑通过零电压开关（ZVS）技术，即便在空载条件下也能最大限度降低开关损耗。对于 EV 高速充电器等输入电压范围宽、对效率和性能要求高的应用，LLC 转换器尤为适用。不过，其复杂度和成本较高，这是不容忽视的缺点。


双向 EV 充电需要采用不同的设计思路。单向车载充电器（OBC）通常采用 LLC 谐振型转换器，但该设计仅限单向运行。对于双向充电，DC-DC 阶段更适合采用 CLLC 谐振型转换器。这种拓扑兼具高效率和宽输出电压范围，可同时支持充电与放电模式，是先进 EV 应用的理想选择。拓扑结构的选择需根据应用的具体性能与成本需求确定。更多关于这些拓扑及其最佳应用场景的详细信息，可参考 RECOM 的《AC/DC 与 DC/DC 设计知识手册》 。

低功率 AC/DC 设计通常可依赖简单的二极管桥式整流器。然而，大功率设计需要功率因数校正（PFC）输入级，以满足电磁兼容性（EMC）法规要求。PFC 级可与 DC/DC 级集成为单个单元，或在模块化设计中作为独立的前端实现。

对于更高功率的 AC/DC 转换器，三相 PFC 拓扑结构（如维也纳整流器，图 5）具有显著优势。这种有源三电平拓扑结构通过采用电容分压器将供电电压减半，降低了晶体管的高开关电压应力。通过将输入二极管部分或全部替换为同步开关晶体管，可进一步提升能效。有关 AC/DC 转换器设计的更多信息，请参阅 RECOM 上述的《AC/DC 和 DC/DC 知识手册》。

无论对于 AC/DC 还是 DC/DC 系统，工作温度都是电源设计中的关键考量因素。温度对半导体的可靠性影响显著，温度每升高 10°C，故障率就会翻倍。因此，管理和散发多余热量是设计人员的首要任务。尽管现代大功率系统的能效通常超过 90%，但有效的热管理仍然至关重要。

冷却技术

AC/DC 和 DC/DC 电源最常用的冷却方法包括传导冷却、对流冷却、强制风冷和液体冷却。每种方法在温度管理和提升系统能效方面都具有独特优势。

• 传导冷却：通过高温元件与低温表面的直接接触实现热传递。许多 DC/DC 转换器采用平面设计，可直接安装在外部散热器或冷板上，实现高效散热。
• 对流冷却：利用环绕设备的自然气流（低密度流体）带走热量。若环境空气温度在规定范围内低于设备温度，对流冷却效果显著。许多电源设备的额定值正是基于此类自然对流冷却条件制定。
• 强制风冷：通过风扇使空气在电源周围或设备外壳内循环流动。这种技术能增强散热效果，支持更高的功率密度。需强制风冷的电源通常会明确标注维持额定输出所需的最小风量。
• 液体冷却：通过循环流体实现散热。该方式无需风扇，噪音极低，且能支持更高的功率密度。其核心优势在于可精准冷却特定热点，无需依赖体积庞大的内部散热器。

高功率系统将效率置于成本与复杂度之上，这一需求推动了该领域的诸多技术创新。宽带隙半导体（尤其是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN））正逐渐取代传统硅基器件（如硅 MOSFET 和 IGBT），在高功率应用中得到广泛应用。其中，碳化硅技术更为成熟，凭借其高临界电场强度、高电子迁移率、高导热系数及 300℃的高熔点等独特特性，已实现大规模应用。这些特性使碳化硅器件具备极低的导通电阻（R (DS) on），从而减少开关损耗与传导损耗，非常适合高电流应用场景。

碳化硅在 DC/DC 设计中的优势

在 DC/DC 转换器中，碳化硅器件可实现更高的开关频率，从而提升功率密度并减小磁性元件体积。其卓越的效率能最大限度降低开关损耗，而出色的耐热性可简化热管理设计，缩短开发时间并降低成本。

碳化硅在 AC/DC 设计中的优势

在 AC/DC 转换器中，碳化硅技术用效率更高的图腾柱 PFC 架构取代了传统的 PFC 升压拓扑结构。通过取消耗能的二极管桥，仅通过两个半导体器件实现传导路径，从而提高了能效，并支持更高的开关频率。历史上，由于硅 MOSFET 的体二极管限制，图腾柱 PFC 在低功率设计中仅限于断续导电模式（DCM）运行，而碳化硅 MOSFET 则支持连续导电模式（CCM）运行。这一进步带来了更高的能效、更低的电磁干扰（EMI）和更高的功率密度。

碳化硅 MOSFET 与 IGBT 的对比

碳化硅 MOSFET 相较于 IGBT 也具有显著优势。IGBT 由于缺乏体二极管，需要超快续流二极管，且其最大开关频率限制在约 20kHz。这一限制导致其磁性元件和无源元件相较于碳化硅基设计更大、更重。相比之下，碳化硅器件开关频率更高，整体能效更优，是大功率应用的理想选择。

RECOM 的模块化 REM 和 RACM 系列转换器提供全面的合规解决方案，可缩短设计周期、简化认证流程并加快产品上市时间。这些医疗级 DC/DC 和 AC/DC 电源具有以下特点：

• 加强绝缘，具备双重患者保护（2MOPP）
• 低泄漏电流（BF 和 CF 等级）
• 爬电距离和电气间隙超过 8 毫米

这些特性确保产品符合严苛的 ES/IEC/EN 60601-1 第三版医疗安全标准，提供超越功能隔离的额外保护。

RECOM 拥有业界最丰富的工业级电源产品组合，涵盖超过 25,000 种标准产品。这些高性价比、安全认证且符合电磁兼容标准的解决方案功率范围高达 10kW，隔离电压等级从 1kVDC 到 5kVAC 不等。RECOM 的工业电源提供多种封装形式，专为满足各类工业环境的需求而设计。

针对铁路系统，RECOM 提供符合铁路标准的高可靠性解决方案。主要产品包括：

• 带有源功率因数校正的三相交流输入电池充电器（如 RMOC3200 和 RMOC5000 系列），支持级联配置，功率可达 20kW
• RMOC3200 系列，直流输入能力高达 800V
• 输出电压选项范围从 24V 额定值到 110V 额定值（包括 36V、48V、72V 和 96V 等中间值）

此外，RECOM 还为车载和轨旁铁路应用提供 DC/DC 和 DC/AC 电源。

RECOM 的电动汽车产品组合包括适用于高端栅极驱动器的多种隔离式 DC/DC 转换器，以及符合 III 类过压（OVCIII）标准的辅助电源 AC/DC 转换器。RECOM 电源系统（RPS）通过全定制解决方案扩展了这些能力，例如：

• 适用于移动和固定应用的电池充电器、均衡器和调节器
• 单相或三相输入配置，输出可定制高达 20kW 或更高功率
• 用于能量回收应用的双向设计

所有产品均配备全面的保护、监控和智能控制接口，确保可靠运行。

RECOM 开发基于平台的设计，以实现出色的性价比和更短的产品上市时间。这些平台可快速修改以满足客户的独特需求，提供高性价比的定制化解决方案。主要平台特性包括：

• 直流输出选项：12V、24V、36V、48V、110V、500VDC，或根据要求提供定制电压
• 高能效和紧凑的封装形式
• 可级联功率能力，支持 n+1 冗余
• 标准、改性标准和全定制设计选项
• 数字控制和监控接口（如 PM-Bus）

RECOM 还提供额定功率高达 4kW 的模块化大功率 PFC 级。这些 PFC 前端的功率因数超过 0.95，典型能效达 92%，非常适合严苛的应用场景。