應(yīng)用非隔離直流-直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)提高轉(zhuǎn)換效率

1． 元件選擇

用一組損耗特性適合用于轉(zhuǎn)換器的元件對(duì)四個(gè)電路進(jìn)行仿真，轉(zhuǎn)換器的輸出為2A 24Vdc，輸入范圍是18到44Vdc。這些參數(shù)與現(xiàn)有的電流和電壓表達(dá)式一起輸入到數(shù)據(jù)表中，然后畫出結(jié)果曲線進(jìn)行比較，工作頻率為100kHz。在有兩個(gè)開關(guān)S1和S2的情況下，接地開關(guān)是一個(gè)N溝道FET，而上面的開關(guān)是一個(gè)P溝道FET，二極管是肖特基型，設(shè)正向電壓為0.6V。電感為150μH 4A，內(nèi)阻是0.1Ω，電容為高質(zhì)量、低阻抗類型，其損耗經(jīng)過計(jì)算表明可以忽略。對(duì)FET的開關(guān)損耗進(jìn)行估計(jì)，假設(shè)開關(guān)時(shí)間是100ns，忽略二極管的開關(guān)損耗，控制電路的損耗假設(shè)也是可以忽略的。

FET的特性如下：

P-溝道：

ON Semi MTD5P06V，RDS(on)=0.45ΩN-溝道：

ON Semi NTD15N06，RDS(on)=0.09Ω

電感值選為150μH，這樣電感和其它元件中的紋波電流大約為20%，可以無須顧慮電流波形擺動(dòng)而將其看作平頂電流脈沖。

2．損耗計(jì)算

我們?yōu)樗膫€(gè)電路設(shè)計(jì)了一個(gè)電子表格，設(shè)定輸出電壓為24V，電流為2A，然后將輸入電壓以2V間隔遞增計(jì)算其性能。在SEPIC和圖1d(D1=D2)中，因?yàn)閭鬟f函數(shù)(Vout/Vin)在電壓低于或高于輸出電壓時(shí)是一樣的，所以過程可以簡(jiǎn)化。而另外兩個(gè)電路則要取決于輸入是小于還是大于輸出而采用不同的函數(shù)。

因?yàn)镕ET中的導(dǎo)通損耗是電阻性的，所以要計(jì)算導(dǎo)通電流，并進(jìn)行平方然后乘以電阻，最后乘以導(dǎo)通占空比(D)算出開關(guān)周期中的平均損耗。圖1a到圖1d下面的傳遞函數(shù)用于確定每個(gè)元件的工作條件(以仔細(xì)分析每個(gè)電路的工作細(xì)節(jié))。

電路性能

圖2顯示了四個(gè)電路的性能特性，請(qǐng)注意兩個(gè)雙模電路表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，特別是當(dāng)輸入電壓幾乎等于輸出電壓(24V)時(shí)它們的效率。SEPIC效率相當(dāng)高，而且輸入接近輸出電壓時(shí)也是如此。當(dāng)輸入電壓增加時(shí)，它的效率更高，因?yàn)檩斎腚娏鹘档土?。?yīng)注意開關(guān)同時(shí)驅(qū)動(dòng)(D1=D2)的降壓+升壓電路效率較差。圖3是相同的數(shù)據(jù)，但是沒有第四個(gè)電路，所以垂直坐標(biāo)可以放大，以便更詳細(xì)地比較前三個(gè)電路。

注意當(dāng)輸入電壓低于或高于輸出電壓時(shí)，升壓+降壓雙模轉(zhuǎn)換器的效率更高，這是因?yàn)槠交妮斎腚娏骱洼敵鲭娏鹘档土嗽膽?yīng)力。盡管中間電容受紋波電流的影響，但如今有了低阻抗電解電容，它的影響可以不用考慮。

本文結(jié)論

對(duì)四個(gè)電路性能進(jìn)行建模，可得出降壓+升壓雙模轉(zhuǎn)換器樣機(jī)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表明該電路在輸入電壓接近輸出電壓時(shí)有優(yōu)異的性能，而升壓+降壓雙模轉(zhuǎn)換器在更廣的輸入電壓范圍具有很好的性能，比較而言SEPIC電路較簡(jiǎn)單，但效率不太高，兩個(gè)開關(guān)同時(shí)驅(qū)動(dòng)的降壓+升壓電路容易控制(但是不如SEPIC簡(jiǎn)單)，不過效率也比較低。