準(zhǔn)諧振、零電流開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)與原理

　　為了減小體積和重量，60年代出現(xiàn)了開關(guān)頻率高于市電工作頻率的開關(guān)轉(zhuǎn)換器。最初，開關(guān)轉(zhuǎn)換器的工作頻率在 20 kHz – 30 kHz 之間。70年代以后，隨著先進(jìn)器件(比如高速晶體管)的推廣應(yīng)用，開關(guān)頻率可達(dá)到超過 100 kHz。但是，隨開關(guān)頻率升高而增大的開關(guān)損耗，嚴(yán)重影響開關(guān)轉(zhuǎn)換器的性能。為了減小開關(guān)損耗，出現(xiàn)了開關(guān)頻率高達(dá) 1 MHz 的準(zhǔn)諧振、零電流開關(guān) (ZCS) DC-DC 轉(zhuǎn)換器。每個(gè)開關(guān)器件均在零電流時(shí)導(dǎo)通與關(guān)斷，這樣開關(guān)損耗只與導(dǎo)通電流有關(guān)而與開關(guān)頻率無關(guān)。在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，轉(zhuǎn)換器都向輸出端傳輸高頻能量。

　　目前，開關(guān)轉(zhuǎn)換器通常都封裝成高功率密度的磚式模塊，如 圖1 所示。電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在選擇 DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊時(shí)，通常只考慮體積、效率和價(jià)格，但很少考慮電路結(jié)構(gòu)。由于目前轉(zhuǎn)換器采用的電路結(jié)構(gòu)(基本的電源轉(zhuǎn)換電路)有許多種，所以了解轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)，有助于選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換器。

圖1 - 高密度 DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊，根據(jù)輸入電壓、輸出電壓和輸出功率不同，轉(zhuǎn)換器模塊有上千種組合。這里顯示的是體積最小的模塊；尺寸為 2.28 x 1.45 x 0.5 英寸 (57.9 x 36.8 x 12.7 mm)，最大輸出功率可達(dá) 150 W。

　　本文主要說明準(zhǔn)諧振、零電流開關(guān) DC-DC 轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理。還討論各種電路結(jié)構(gòu)的不同特點(diǎn)和某些優(yōu)點(diǎn)。

　　圖2 是一個(gè)準(zhǔn)諧振、零電流開關(guān) DC-DC 轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化電路圖。由于單只固體開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，能量由電源傳輸?shù)截?fù)載，所以這種轉(zhuǎn)換器稱為單端正激轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器為準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器，開關(guān)在零電流處轉(zhuǎn)換，真正消除了開關(guān)損耗。但是，它又與諧振轉(zhuǎn)換器不同，電容器 Cr 中貯存的能量不能返回到電感 Lr 中。

圖2 - 準(zhǔn)諧振、零電流開關(guān) DC-DC 轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化電路圖

　　該轉(zhuǎn)換器主要由以下元器件組成：

• 　　主開關(guān) Q1：該開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，流過開關(guān)的電流波形接近半正弦波，把輸入電源的能量傳輸?shù)?LC 電路。
• 　　變壓器 T1：變壓器實(shí)現(xiàn)初次級(jí)電壓變換和初次級(jí)電氣隔離，以及變壓器漏電感中的貯能，在該功率架構(gòu)中有重要作用。
• 　　LC電路：變壓器的漏電感 Lr，在 圖2 中作為一只電感與變壓器次級(jí)繞組串聯(lián)，并且與電容器 Cr 組成 LC 電路。電流在電感中形成的貯能為 LrI2，電壓在電容器中形成的貯能為 CrV2。
• 　　雙二極管輸出整流器：兩只二極管 D1 和 D2 強(qiáng)迫能量從輸入端傳輸?shù)捷敵龆?。?dāng)主開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，二極管 D1 導(dǎo)通，能量從漏電感傳輸?shù)诫娙萜?Cr。由于二極管的整流作用，可防止能量反向傳輸。需要時(shí)，二極管 D2 可為輸出電感 LO 提供電流通路。能量由漏電感傳輸?shù)?Cr 和LO 后，D2 也可防止反向電壓加到 Cr。
• 　　磁芯復(fù)位電路：在實(shí)際應(yīng)用中，每個(gè)周期內(nèi)，都希望單端正激轉(zhuǎn)換器的磁芯能夠恢復(fù)原來狀態(tài)。這樣才能更有效地利用變壓器磁芯材料的動(dòng)態(tài)磁通擺幅。從而使給定尺寸的磁芯傳輸更大的功率。
• 　　低通濾波器：輸出 LC 濾波器的主要作用是減小負(fù)載兩端的輸出紋波電壓。LO 的電感量很大，滿載電流在 LO 中貯存的能量大于電路中任何其它貯能元件中的貯能。在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，傳輸?shù)截?fù)載的能量必須與從 Cr 傳輸?shù)哪芰棵}沖相匹配。

　　準(zhǔn)諧振、零電流開關(guān) DC-DC 轉(zhuǎn)換器通過能量傳輸循環(huán)完成功率變換。在給定輸入電壓的條件下，每次諧振都傳輸相同的力量，并且這些能量能夠以不同的重復(fù)速率傳輸，因此可以改變傳輸?shù)捷敵龆说目偣β?或電壓)。這些能量又經(jīng) LO、Cr 輸出濾波器平均或平滑后，輸出穩(wěn)定的功率(或電壓)。需要輸出更大功率時(shí)，重復(fù)速率將上升。

　　盡管現(xiàn)有許多轉(zhuǎn)換器電路，但是 DC-DC 轉(zhuǎn)換器作為模塊式元件的出現(xiàn)，還必須考慮一些電路結(jié)構(gòu)的問題。由于開關(guān)轉(zhuǎn)換器的某些固有特性，比如功耗隨著頻率升高而增大，所以沒有任何一種轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)在各個(gè)方面都優(yōu)于其它轉(zhuǎn)換器。

　　與諧振轉(zhuǎn)換器不同，準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器只能單向從電源到負(fù)載傳輸能量，效率較高并且具有固有的穩(wěn)定性。

　　通過電源主變壓器的漏電感與變壓器次級(jí)側(cè)的諧振電容器耦合，可使零電流開關(guān)正常工作。主開關(guān)在電流流過零時(shí)導(dǎo)通與關(guān)斷，因此可消除許多其它開關(guān)轉(zhuǎn)換器具有的電流變化率 di/dt 高且開關(guān)噪聲大等缺點(diǎn)。這種正弦波“軟”開關(guān)也可減小方波“硬”開關(guān)產(chǎn)生的元件寄生噪聲。

　　一種磁芯復(fù)位電路能夠產(chǎn)生鏡象磁化電流，使轉(zhuǎn)換器能工作于 B-H 磁滯回線的 第1 和 第3 象限，如 圖3 所示。這種磁化電流具有許多工作優(yōu)點(diǎn)，比如變壓器磁芯具有最大磁通量、主開關(guān)承受最低電壓應(yīng)力，因此可以選用額定電壓較低的更便宜的主開關(guān)器件。這些優(yōu)點(diǎn)有助于提高轉(zhuǎn)換器的效率和功率密度，同時(shí)，還可以降低轉(zhuǎn)換器的成本。其它的磁芯復(fù)位電路，只能使單端正激轉(zhuǎn)換器工作于 第1 象限，因此轉(zhuǎn)換器的占空比受到一定限制。

圖3 - 采用鏡象磁化電流的磁芯復(fù)位電路，磁芯可工作于第1和第3象限，磁芯面積得到完全利用。轉(zhuǎn)換器可具有更高的占空比并且可采用較小的復(fù)位開關(guān)，減少功耗。

　　于最近的電路結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)換器功能包含了寬微調(diào)范圍以及容錯(cuò)架構(gòu)。這些轉(zhuǎn)換器可以利用固定電阻，電位器或 DAC 電壓來編程輸出電壓從正常電壓的 10% 至 110%。例如，12 Vdc 輸出可微調(diào)至超過 1.2 Vdc 至 13.2 Vdc 的范圍。這些轉(zhuǎn)換器同樣有 N+M 專利的容錯(cuò)架構(gòu)。并聯(lián)陣列內(nèi)其中一個(gè)模塊會(huì)自動(dòng)控制起動(dòng)，其它模塊會(huì)與它同步工作。陣列內(nèi)的模塊在輸入那邊的母線以高速的脈沖來通信。如果主導(dǎo)模塊失效，另一個(gè)模塊會(huì)自動(dòng)被選為主導(dǎo)，系統(tǒng)仍然繼續(xù)工作，不受影響。