InnoMux2-EP高压氮化镓电源应用案例分析

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背景

随着工业自动化、电力电子与新能源系统的不断发展，越来越多的应用场景对高压直流输入、低压多路输出的DC-DC电源提出了新的技术需求。这类电源广泛应用于如高压直流输电、固态变压器、静止同步补偿器、电机驱动、工业变频器等场合，主要用于提供控制、驱动、通信、传感等低压子系统所需的稳定电源。

这些应用场景普遍具备以下特点：（1）输入电压高且范围宽，最高可达千伏左右；（2）输出功率等级较低，通常在几十瓦级别；（3）输出路数多且稳定性要求高，不仅需要多个电压轨输出，而且对交叉调整率、电压精度和动态响应提出更高要求；（4）系统空间与集成度限制严苛，电源模块需尽可能小型化，减少元件数量与散热设计复杂度。

在传统解决方案中，设计者往往采用多级拓扑结构，如：前级反激+后级稳压、光耦反馈+多绕组输出、磁集成结构+多模块均压等手段。这些方案虽然在功能上能够覆盖目标，但通常存在如下痛点：（1）效率偏低，多级转换或需要后级线性稳压导致能量损耗严重；（2）调压精度差，辅助输出难以闭环控制，存在较大交叉调整误差；（3）系统复杂度高：器件数量多、PCB复杂、热设计难度高；（4）调试复杂：输出变化或系统扩展都需要反复调试多个参数变量。

为解决上述难题，Power Integrations推出的InnoMux2-EP系列集成式高压DC-DC控制器应运而生。本文将通过两个典型应用案例，分别对比InnoMux2-EP方案与传统高压电源方案的设计结构、性能表现、效率指标与系统复杂度，探索InnoMux2-EP带给下一代工业电源设计的新思路和方案。

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案例1：高压宽输入范围DC-DC变换器

基于隔离降压型DC-DC变换器的辅助电源已经广泛应用在高压直流输入的直流功率变换系统中，并且将成为未来电力系统电能治理等领域的关键技术之一。隔离降压型DC-DC变换器在高压直流输电系统、固态变压器以及无功、谐波补偿等领域取得广泛应用。以电网无功补偿为例，静止同步补偿器得到了广泛的应用。级联H桥模块的驱动供电和系统的控制供电需要一个从高压直流侧取电的小功率DC-DC变换器提供。受电压纹波和控制策略的影响，直流侧电压变化范围较宽，为了保证系统安全、可靠地运行，要求小功率DC-DC变换器能在尽可能宽的输入电压范围内工作。

这类电源的设计要求可以总结为：宽输入、高降压比和高效率。相关技术的显著挑战可以归纳如下：

（1）输入侧从直流母线取电，范围宽：几百到几千伏，因此设计难度较高，且需考虑绝缘问题；

（2）功率等级低：几十瓦，由于高压输入的原因，功率开关管的开关损耗很大，因此效率通常偏低，同时还要考虑低压情况下能够输出满载功率，故而效率优化难度较高。

一个具有200V-1000V 输入，±15V输出，最大功率45W的辅助电源设计平台如下图所示（该设计来自[1]）。

该设计平台主要技术思路是双模块有源钳位反激+磁集成+串联结构。其中有源钳位反激电路的原理如下图所示。

这是一个两模块磁集成ISOS 有源钳位反激电路。拓扑输入侧由两个有源钳位反激模块串联而成，输出侧为两个独立绕组串联而成。所有功率绕组均耦合在同一个变压器中，变压器还包括辅助绕组（未画出）。两个模块相同位置的开关管同开同关，基本工作原理和单模块类似。

该设计主要用到的器件如下表所示。

该设计结构比较复杂，对于控制策略需要仔细的对比和调整。设计者对准谐振控制、关断时间控制、定频控制等关键控制策略和参数进行了对比和验证。

准谐振控制的效率曲线如下图所示。

最低输入电压，60%负载下，峰值效率88.59%。随着输入电压的增高，开关损耗也会更大，因此相同负载下高压时的效率低于低压时的效率。除200V 输入电压的情况外，效率均随负载功率增大而提高，因为开关损耗占据损耗的主体部分；而200V 输入下在半载以上效率略有下降，此时开关损耗不再是损耗的主体，因为此时工作频率偏低，导通损耗大，变压器铁损偏高，这也是低压满载时效率相对于其他两种方式没有优势的原因。在1000V高压下，45W输出时，最高效率为85%左右。

关断时间控制的效率曲线如下图所示。

关断时间控制上限频率设定为240kHz。为了防止工作频率低于20kHz，产生人耳可以听到的噪音，本实验采用自适应主开关管开通时间调整策略，随着输入电压的提高，程序中自动减少主开关管的开通时间。满载下，对于200V、600V 和1000V的输入电压，主管开通时间分别设为2.10μs、1.58μs和1.09μs。

得益于手动调整了死区时间和主开关管开通时间，在最低输入电压，60%负载下，实现了89.21%的峰值效率。与准谐振控制类似，相同负载下，高压时的效率低于低压时的情况。关断时间控制在高压轻载时具有较大的效率优势，因为此时开关损耗的比重很大，而关断时间控制在此类工况下的工作频率很低。在半载以上，尽管有工作频率的优势，关断时间控制的总体效率依然低于准谐振控制。在1000V高压下，45W输出时，最高效率为83%左右。

定频控制的效率曲线如下图所示。

由于开关频率合适，在最低输入电压，60%负载下，实现了89.04%的峰值效率。与准谐振控制类似，相同负载下，高压时的效率低于低压时的情况。除了200V 输入的工况外，其他输入电压下，定频控制相较于其他两种控制方式劣势明显。半载以上，效率明显低于准谐振控制；半载以下，效率明显低于关断时间控制。在1000V高压下，45W输出时，最高效率仅为78%左右。因此从效率优化的角度而言，定频控制在高压场合并不适用。

综合来看，关断时间控制不适合应用于宽输入范围的场合，而定频控制虽然能应用于宽输入范围场合，但高压效率劣势明显。准谐振控制尽管增加了一定的硬件成本，但能在高压宽输入范围的工况下保证效率优势，其轻载时的效率偏低可以通过在程序中增加频率限制，实现轻载时的波谷跳跃，降低开关频率来解决。因此，在高压宽输入的应用场合，准谐振控制的性能最优，最具应用前景，1000V输入时，最高效率可达到85%左右。

设计者给出不同条件下的静态及动态均压波形，以及参数存在容差时的均压波形，验证了磁集成ISOS结构具有良好的自均压特性。但是受限于双模块结构本身、外围元件复杂度以及准谐振控制策略优化程度，整体效率仍然不高，需要加装散热片辅助散热，电路占用的面积和体积都比较大。

作为对比，RDR-1053样板是基于InnoMux2-EP的单级架构多路输出电源，在整个输入范围内仍能维持90%以上的效率，如下图所示（该设计来自[3]）。

此外，RDR-1053设计中整合了1700V GaN开关管、ZVS零电压开通与同步整流，不需额外电路实现高效率运行，进一步减少损耗。

上述对比方案中并未明确说明是否在±15V输出后采用线性稳压器或DC-DC后级稳压。但由于其主要为驱动控制类负载，需通过精心调试切换控制策略（准谐振、定频等）平衡效率与稳压性能，其±15V输出并未实现闭环交叉调节控制，往往还需进一步稳压，若需用LDO等进行二次稳压，将导致系统总体效率进一步下降。而RDR-1053使用InnoMux的单级架构，每路输出都具备独立调压功能，可以达到±1%的稳压精度，在大部分应用中都不需后级稳压电路，避免了二次转换带来的效率损耗与元件堆叠。RDR-1053只需约60个元件即可完成双路输出方案，无需光耦、TL431等反馈元件，也无需多级电路。相较之下，磁集成+双模块结构增加了设计、调试和安规难度，PCB尺寸与调试工作量显著提升。

对比结果表明，即使在使用了有源钳位技术的前提下，双模块反激方案在整体系统效率、输出精度、架构集成度等方面仍逊色于InnoMux2-EP方案。InnoMux2-EP不仅在单级结构中实现了更高的效率，更通过GaN高压开关、ZVS与多路精确控制显著简化了系统设计，展现出在高压辅助电源应用中的显著优势。

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案例2：光稳压多路输出反激式变换器

TIDA-010000是一款50W多路输出参考设计，广泛用于变频器、电机驱动等工业场合，其输入范围为380–480VAC，输出包括24V/1.5A、15V/0.5A、5V/0.2A和3.3V/0.1A四路。该设计采用传统反激拓扑结构，使用光耦反馈实现稳压，并通过分压等手段分别调整次级输出电压。控制芯片为UCC28740。电路结构如下图所示（该设计来自[2]）。

虽然TIDA-010000具备多路输出能力，但其输出调节精度依赖于主输出的反馈机制，其余输出无法实现独立的闭环调节，在多负载动态变化场景下容易出现电压波动。此外，由于传统设计结构及分立元件较多，该设计仍需搭配散热片使用，系统集成度不高，如下图所示。

该方案与基于InnoMux2-EP芯片的RDR-1053方案对比分析如下表所示。

项目

TIDA-010000

RDR-1053

输入电压范围

380–480VAC

（290–1000 VDC）

70–1000VDC

输出通道

4路（24V, 15V, 5V, 3.3V）

2路（5V/2.5A & 24V/2A）

功率

50W

60W

稳压机制

主输出光耦反馈，其余为辅助调节

双输出独立闭环控制

控制器

UCC28740

IMX2353F-H415

后级稳压

需要（如LDO）

不需要

交叉调整率

依赖主输出负载

小于±1%，独立反馈控制

峰值效率

约85%

大于90%

散热器

需加装散热片

无需外部散热片

在效率表现方面，TIDA-010000整体效率低于86.2%。高压输入（990V）下峰值效率进一步降低，约为84.1%，如下图所示。而RDR-1053在全部输入范围内效率均保持在90%以上，其优势主要得益于采用了1700V GaN功率器件、ZVS软开关技术与同步整流电路，并通过数字控制实现了高效精密的能量管理。

在交叉调整率方面，RDR-1053在全输入电压范围和全负载范围内，输出电压的调节误差始终维持在±1%以内，绝大部分点接近0%。即使在低负载（0~20%）和高压输入（1000V）工况下，输出仍保持稳定，波动不大，如下图所示。

相比之下，TIDA-010000采用光耦反馈，只能调节某一主输出，其他输出为从属调节方式，在多路输出负载不均或动态变化情况下，会引起显著的电压波动，交叉调整率明显劣于RDR-1053，如下图所示。例如在990V输入下，24V满载输出时，5V的输出已经上升到6.1V以上，误差超过22%。

在系统复杂度方面，TIDA-010000设计中使用了多个光耦、齐纳、反馈调节和保护电路，元件数量较多，布板复杂，占用空间大，且需要额外散热片辅助降温。而RDR-1053仅需约60个器件，无需光耦或TL431，也不需要附加散热片，系统简洁，布板紧凑，利于工业电源集成化设计。

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总结

通过对两个典型高压电源案例的对比分析可以看出，InnoMux2-EP方案凭借其高度集成的架构、1700V GaN器件、ZVS技术及双路独立调压能力，在效率、交叉调整率、系统复杂度和热管理等方面均展现出显著优势。与传统多级或光耦反馈结构相比，InnoMux2-EP不仅能够简化设计、减少元件数量与PCB面积，还能提升整机可靠性和系统一致性，是面向下一代高压电源应用的优选方案。未来，在静止同步补偿器、变频器、工业控制等高压场景中，InnoMux2-EP将有望持续替代传统解决方案，推动电源设计向更高效、更紧凑、更智能方向发展。

参考文献

[1] 许奕辰.适用于高压大功率辅助电源应用的宽输入范围DC-DC变换器研究[D].南京航空航天大学,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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