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DC-DC變換器的基本手段和分類

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作者: 時間:2007-12-13 來源:電子元器件網 收藏

  把直流電壓變換為另一數值的直流電壓最簡單方法是串聯一個電阻,這樣不涉及變頻的問題,顯得很簡單,但是效率低。用一個半導體功率器件作為開關,使帶有濾波器(L或/和C)的負載線路與直流電壓一會兒接通,一會兒斷開,則負載上也得到另一個直流電壓,這就是DC-DC的基本手段,類似于“斬波”(Chop)作用。

  一個周期Ts內,電子開關接通時間ton所占整個周期Ts的比例,稱接通占空比D,D=ton/Ts;斷開時間toff所占Ts比例,稱斷開占空比D’,D’= toff/Ts。很明顯,接通占空比越大,負載上電壓越高;1/Ts=fs稱開關頻率,fs越高,負載上電壓也越高。這種中的開關都在某一固定頻率下(如幾百千赫茲)工作,這種保持開關頻率恒定,但改變接通時間長短(即脈沖的寬度),使負載變化時,負載上電壓變化不大的方法,稱脈寬調制法(Pulse Width Modulation,簡稱為PWM)。由于電子開關按外加控制脈沖而通斷,控制與本身流過的電流、二端所加的電壓無關,因此電子開關稱為“硬開關”。很明顯,由于硬開關關斷和開通時,開關上同時存在電壓、電流,損耗是比較大的,但無論如何比串聯電阻變換方法損耗小得多。這就是開關的優點之一。

  凡用脈寬調制方式控制電子開關的開關變換器,稱為PWM開關變換器。它是以使用“硬開關”為主要特征的。

  另一類稱之為軟開關。凡用控制方法使電子開關在其兩端電壓為零時導通電流,或使流過電子開關電流為零時關斷,此開關稱為軟開關。軟開關的開通、關斷損耗理想值為零。由于損耗小,開關頻率可提高到兆赫級,開關體積、重量顯著減少。

  可用諧振(Resonance)的方法使電子開關上電壓或電流為零,諧振分為串聯諧振和并聯諧振。在開關電路中加的電壓是直流電壓,直流電壓加在串聯的LC時,電路中電流按正弦規律無阻尼振蕩,其頻率即電路的諧振頻率,或稱振蕩頻率。利用諧振現象,電子開關器件兩端電壓按正弦規律振蕩,當振蕩到零時,使電子開關導通,流過電流,此法稱零電壓開通(Zero Voltage Switching 簡稱ZVS)。同理,當流過電子開關器件的電流振蕩到零時,使電子開關斷開,此法稱為零電流關斷(Zero Current Switching 簡稱ZCS)。

  利用諧振現象,使電子開關器件上電壓或電流按正弦規律變化,以創造零電壓開通或零電流關斷的條件,以這種技術為主導的變換器稱諧振變換器,它有串聯和并聯諧振變換器兩種。如果在橋式變換器(用諧振式方法控制)橋的輸出端為串聯LC網絡,再接變壓器原邊繞組(包括帶副邊整流電路),稱為串聯諧振變換器。在橋式變換器串聯LC網絡的電容兩端并聯變壓器原邊繞組(包括帶副邊整流電路),稱為并聯諧振變換器。

  由于正向和反向LC回路值不一樣,即振蕩頻率不同,電流幅值也不同,所以振蕩不對稱。一般正向正弦半波大于負向正弦半波,所以常稱為準諧振。無論是串聯LC網絡,或并聯的LC網絡都會產生準諧振。

  利用準諧振現象,使電子開關器件上的電壓或電流按正弦規律變化,從而創造了零電壓或零電流的條件,以這種技術為主導的變換器稱為準諧振變換器。在單端、半橋或全橋變換器中,利用寄生電感和電容(如變壓器漏感,半導體功率管或整流管的結電容)或外加諧振電感和電容,可得到相應的準諧振變換器。

  諧振回路、參數可以超過兩個,例如三個或更多,稱為多諧振變換器。

  為保持輸出電壓不隨輸入電壓變化而變化,不隨負載變化而變化(或基本不變),諧振、準諧振和多諧振變換器主要靠調整開關頻率,所以是調頻系統。{{分頁}}

  調頻系統不如PWM開關那樣易控,加上諧振、準諧振、多諧振電路諧振電壓(或電流)峰值高,開關受的應力大,因此這幾年熱門的研究課題是零開關-PWM變換器和零轉換-PWM變換器。

  零開關-PWM變換器是指在準諧振變換器中,增加一個輔助開關控制的電路,使變換器一周期內,一部分時間按ZCS或ZVS準諧振變換器工作,另一部分時間按PWM變換器工作。前者稱ZCS-PWM變換器,后者稱為ZVS-PWM變換器。這樣,變換器既有電壓過零(或電流過零)控制的軟開關特點,又有PWM恒頻調寬的特點。這時諧振網絡中的電感是與主開關串聯的。

  零轉換-PWM變換器與零開關-PWM變換器并無本質上的差別,也是軟開關與PWM的結合,只不過諧振網絡是與主開關并聯的。

  從上面所述,DC-DC可分成PWM式、諧振式和它們的結合式。每一種方式中從輸入與輸出之間是否有變壓器隔離,可以分成有隔離、無隔離兩類。每一類中又有六種拓撲:Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic和Zeta。由此可見DC-DC基本電路就不勝其數了。多數電路都具有個性,有典型應用價值,也有的電路并無實用價值。

  以上是從電路拓撲來分類,還有從其他角度、特征來分類的。例如,若按激勵形式不同,可分為自激式和他激式兩種。

  自激式包括單管式變換器和推挽式變換器兩種。他激式包括調頻、調寬、調幅、諧振等幾種。目前應用較廣的是調寬型(PWM),它包括正激式、反激式、半橋式和全橋式。諧振式中有串聯諧振、并聯諧振、串并聯諧振等線路;按諧振式的開關什么時候接通來分,又可分為零電流開關和零電壓開關等。

  若按控制信號的隔離方法,則可分為直流式、光電耦合式、變壓器式、磁放大器式等。有些線路通過電子器件完成電壓-頻率,或者頻率-電壓的轉換工作之后,用變壓器與控制信號隔離。

  根據電感電流是否連續,有兩種工作模式。一種是連續導電模式(CCM,Continuous Conduction Mode),DC-DC在重載下通常工作于這種模式;另一種是不連續導電模式(DCM,Discontinuous Conduction Mode),在輕載下工作于這種模式。

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關鍵詞: DC-DC變換器 電源

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