InnoMux2-EP高壓氮化鎵電源應用案例分析

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背景

隨著工業自動化、電力電子與新能源系統的不斷發展，越來越多的應用場景對高壓直流輸入、低壓多路輸出的DC-DC電源提出了新的技術需求。這類電源廣泛應用于如高壓直流輸電、固態變壓器、靜止同步補償器、電機驅動、工業變頻器等場合，主要用于提供控制、驅動、通信、傳感等低壓子系統所需的穩定電源。

這些應用場景普遍具備以下特點：（1）輸入電壓高且范圍寬，最高可達千伏左右；（2）輸出功率等級較低，通常在幾十瓦級別；（3）輸出路數多且穩定性要求高，不僅需要多個電壓軌輸出，而且對交叉調整率、電壓精度和動態響應提出更高要求；（4）系統空間與集成度限制嚴苛，電源模塊需盡可能小型化，減少元件數量與散熱設計復雜度。

在傳統解決方案中，設計者往往采用多級拓撲結構，如：前級反激+后級穩壓、光耦反饋+多繞組輸出、磁集成結構+多模塊均壓等手段。這些方案雖然在功能上能夠覆蓋目標，但通常存在如下痛點：（1）效率偏低，多級轉換或需要后級線性穩壓導致能量損耗嚴重；（2）調壓精度差，輔助輸出難以閉環控制，存在較大交叉調整誤差；（3）系統復雜度高：器件數量多、PCB復雜、熱設計難度高；（4）調試復雜：輸出變化或系統擴展都需要反復調試多個參數變量。

為解決上述難題，Power Integrations推出的InnoMux2-EP系列集成式高壓DC-DC控制器應運而生。本文將通過兩個典型應用案例，分別對比InnoMux2-EP方案與傳統高壓電源方案的設計結構、性能表現、效率指標與系統復雜度，探索InnoMux2-EP帶給下一代工業電源設計的新思路和方案。

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案例1：高壓寬輸入范圍DC-DC變換器

基于隔離降壓型DC-DC變換器的輔助電源已經廣泛應用在高壓直流輸入的直流功率變換系統中，并且將成為未來電力系統電能治理等領域的關鍵技術之一。隔離降壓型DC-DC變換器在高壓直流輸電系統、固態變壓器以及無功、諧波補償等領域取得廣泛應用。以電網無功補償為例，靜止同步補償器得到了廣泛的應用。級聯H橋模塊的驅動供電和系統的控制供電需要一個從高壓直流側取電的小功率DC-DC變換器提供。受電壓紋波和控制策略的影響，直流側電壓變化范圍較寬，為了保證系統安全、可靠地運行，要求小功率DC-DC變換器能在盡可能寬的輸入電壓范圍內工作。

這類電源的設計要求可以總結為：寬輸入、高降壓比和高效率。相關技術的顯著挑戰可以歸納如下：

（1）輸入側從直流母線取電，范圍寬：幾百到幾千伏，因此設計難度較高，且需考慮絕緣問題；

（2）功率等級低：幾十瓦，由于高壓輸入的原因，功率開關管的開關損耗很大，因此效率通常偏低，同時還要考慮低壓情況下能夠輸出滿載功率，故而效率優化難度較高。

一個具有200V-1000V 輸入，±15V輸出，最大功率45W的輔助電源設計平臺如下圖所示（該設計來自[1]）。

該設計平臺主要技術思路是雙模塊有源鉗位反激+磁集成+串聯結構。其中有源鉗位反激電路的原理如下圖所示。

這是一個兩模塊磁集成ISOS 有源鉗位反激電路。拓撲輸入側由兩個有源鉗位反激模塊串聯而成，輸出側為兩個獨立繞組串聯而成。所有功率繞組均耦合在同一個變壓器中，變壓器還包括輔助繞組（未畫出）。兩個模塊相同位置的開關管同開同關，基本工作原理和單模塊類似。

該設計主要用到的器件如下表所示。

該設計結構比較復雜，對于控制策略需要仔細的對比和調整。設計者對準諧振控制、關斷時間控制、定頻控制等關鍵控制策略和參數進行了對比和驗證。

準諧振控制的效率曲線如下圖所示。

最低輸入電壓，60%負載下，峰值效率88.59%。隨著輸入電壓的增高，開關損耗也會更大，因此相同負載下高壓時的效率低于低壓時的效率。除200V 輸入電壓的情況外，效率均隨負載功率增大而提高，因為開關損耗占據損耗的主體部分；而200V 輸入下在半載以上效率略有下降，此時開關損耗不再是損耗的主體，因為此時工作頻率偏低，導通損耗大，變壓器鐵損偏高，這也是低壓滿載時效率相對于其他兩種方式沒有優勢的原因。在1000V高壓下，45W輸出時，最高效率為85%左右。

關斷時間控制的效率曲線如下圖所示。

關斷時間控制上限頻率設定為240kHz。為了防止工作頻率低于20kHz，產生人耳可以聽到的噪音，本實驗采用自適應主開關管開通時間調整策略，隨著輸入電壓的提高，程序中自動減少主開關管的開通時間。滿載下，對于200V、600V 和1000V的輸入電壓，主管開通時間分別設為2.10μs、1.58μs和1.09μs。

得益于手動調整了死區時間和主開關管開通時間，在最低輸入電壓，60%負載下，實現了89.21%的峰值效率。與準諧振控制類似，相同負載下，高壓時的效率低于低壓時的情況。關斷時間控制在高壓輕載時具有較大的效率優勢，因為此時開關損耗的比重很大，而關斷時間控制在此類工況下的工作頻率很低。在半載以上，盡管有工作頻率的優勢，關斷時間控制的總體效率依然低于準諧振控制。在1000V高壓下，45W輸出時，最高效率為83%左右。

定頻控制的效率曲線如下圖所示。

由于開關頻率合適，在最低輸入電壓，60%負載下，實現了89.04%的峰值效率。與準諧振控制類似，相同負載下，高壓時的效率低于低壓時的情況。除了200V 輸入的工況外，其他輸入電壓下，定頻控制相較于其他兩種控制方式劣勢明顯。半載以上，效率明顯低于準諧振控制；半載以下，效率明顯低于關斷時間控制。在1000V高壓下，45W輸出時，最高效率僅為78%左右。因此從效率優化的角度而言，定頻控制在高壓場合并不適用。

綜合來看，關斷時間控制不適合應用于寬輸入范圍的場合，而定頻控制雖然能應用于寬輸入范圍場合，但高壓效率劣勢明顯。準諧振控制盡管增加了一定的硬件成本，但能在高壓寬輸入范圍的工況下保證效率優勢，其輕載時的效率偏低可以通過在程序中增加頻率限制，實現輕載時的波谷跳躍，降低開關頻率來解決。因此，在高壓寬輸入的應用場合，準諧振控制的性能最優，最具應用前景，1000V輸入時，最高效率可達到85%左右。

設計者給出不同條件下的靜態及動態均壓波形，以及參數存在容差時的均壓波形，驗證了磁集成ISOS結構具有良好的自均壓特性。但是受限于雙模塊結構本身、外圍元件復雜度以及準諧振控制策略優化程度，整體效率仍然不高，需要加裝散熱片輔助散熱，電路占用的面積和體積都比較大。

作為對比，RDR-1053樣板是基于InnoMux2-EP的單級架構多路輸出電源，在整個輸入范圍內仍能維持90%以上的效率，如下圖所示（該設計來自[3]）。

此外，RDR-1053設計中整合了1700V GaN開關管、ZVS零電壓開通與同步整流，不需額外電路實現高效率運行，進一步減少損耗。

上述對比方案中并未明確說明是否在±15V輸出后采用線性穩壓器或DC-DC后級穩壓。但由于其主要為驅動控制類負載，需通過精心調試切換控制策略（準諧振、定頻等）平衡效率與穩壓性能，其±15V輸出并未實現閉環交叉調節控制，往往還需進一步穩壓，若需用LDO等進行二次穩壓，將導致系統總體效率進一步下降。而RDR-1053使用InnoMux的單級架構，每路輸出都具備獨立調壓功能，可以達到±1%的穩壓精度，在大部分應用中都不需后級穩壓電路，避免了二次轉換帶來的效率損耗與元件堆疊。RDR-1053只需約60個元件即可完成雙路輸出方案，無需光耦、TL431等反饋元件，也無需多級電路。相較之下，磁集成+雙模塊結構增加了設計、調試和安規難度，PCB尺寸與調試工作量顯著提升。

對比結果表明，即使在使用了有源鉗位技術的前提下，雙模塊反激方案在整體系統效率、輸出精度、架構集成度等方面仍遜色于InnoMux2-EP方案。InnoMux2-EP不僅在單級結構中實現了更高的效率，更通過GaN高壓開關、ZVS與多路精確控制顯著簡化了系統設計，展現出在高壓輔助電源應用中的顯著優勢。

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案例2：光穩壓多路輸出反激式變換器

TIDA-010000是一款50W多路輸出參考設計，廣泛用于變頻器、電機驅動等工業場合，其輸入范圍為380–480VAC，輸出包括24V/1.5A、15V/0.5A、5V/0.2A和3.3V/0.1A四路。該設計采用傳統反激拓撲結構，使用光耦反饋實現穩壓，并通過分壓等手段分別調整次級輸出電壓。控制芯片為UCC28740。電路結構如下圖所示（該設計來自[2]）。

雖然TIDA-010000具備多路輸出能力，但其輸出調節精度依賴于主輸出的反饋機制，其余輸出無法實現獨立的閉環調節，在多負載動態變化場景下容易出現電壓波動。此外，由于傳統設計結構及分立元件較多，該設計仍需搭配散熱片使用，系統集成度不高，如下圖所示。

該方案與基于InnoMux2-EP芯片的RDR-1053方案對比分析如下表所示。

項目

TIDA-010000

RDR-1053

輸入電壓范圍

380–480VAC

（290–1000 VDC）

70–1000VDC

輸出通道

4路（24V, 15V, 5V, 3.3V）

2路（5V/2.5A & 24V/2A）

功率

50W

60W

穩壓機制

主輸出光耦反饋，其余為輔助調節

雙輸出獨立閉環控制

控制器

UCC28740

IMX2353F-H415

后級穩壓

需要（如LDO）

不需要

交叉調整率

依賴主輸出負載

小于±1%，獨立反饋控制

峰值效率

約85%

大于90%

散熱器

需加裝散熱片

無需外部散熱片

在效率表現方面，TIDA-010000整體效率低于86.2%。高壓輸入（990V）下峰值效率進一步降低，約為84.1%，如下圖所示。而RDR-1053在全部輸入范圍內效率均保持在90%以上，其優勢主要得益于采用了1700V GaN功率器件、ZVS軟開關技術與同步整流電路，并通過數字控制實現了高效精密的能量管理。

在交叉調整率方面，RDR-1053在全輸入電壓范圍和全負載范圍內，輸出電壓的調節誤差始終維持在±1%以內，絕大部分點接近0%。即使在低負載（0~20%）和高壓輸入（1000V）工況下，輸出仍保持穩定，波動不大，如下圖所示。

相比之下，TIDA-010000采用光耦反饋，只能調節某一主輸出，其他輸出為從屬調節方式，在多路輸出負載不均或動態變化情況下，會引起顯著的電壓波動，交叉調整率明顯劣于RDR-1053，如下圖所示。例如在990V輸入下，24V滿載輸出時，5V的輸出已經上升到6.1V以上，誤差超過22%。

在系統復雜度方面，TIDA-010000設計中使用了多個光耦、齊納、反饋調節和保護電路，元件數量較多，布板復雜，占用空間大，且需要額外散熱片輔助降溫。而RDR-1053僅需約60個器件，無需光耦或TL431，也不需要附加散熱片，系統簡潔，布板緊湊，利于工業電源集成化設計。

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總結

通過對兩個典型高壓電源案例的對比分析可以看出，InnoMux2-EP方案憑借其高度集成的架構、1700V GaN器件、ZVS技術及雙路獨立調壓能力，在效率、交叉調整率、系統復雜度和熱管理等方面均展現出顯著優勢。與傳統多級或光耦反饋結構相比，InnoMux2-EP不僅能夠簡化設計、減少元件數量與PCB面積，還能提升整機可靠性和系統一致性，是面向下一代高壓電源應用的優選方案。未來，在靜止同步補償器、變頻器、工業控制等高壓場景中，InnoMux2-EP將有望持續替代傳統解決方案，推動電源設計向更高效、更緊湊、更智能方向發展。

參考文獻

[1] 許奕辰.適用于高壓大功率輔助電源應用的寬輸入范圍DC-DC變換器研究[D].南京航空航天大學,2020.DOI:10.27239/d.cnki.gnhhu.2020.002127.

[2] TIDA-010000 - 50-W Opto-Regulated Multi-Output Flyback Converter Reference Design for 380-480VAC Motor Drives. https://www.ti.com.cn/tool/EN/TIDA-010000

[3] RDR-1053 - 60 W Flyback Converter with Two Independently Regulated Outputs Using InnoMuxTM2-EP IMX2353F-H415. https://www.power.com/zh-hans/design-support/design-examples/rdr-1053-60-w-dual-output-flyback-power-supply-1000-vdc-industrial-using-innomux2-ep-1700v-powigan

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