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DC-DC變換器的基本手段和分類

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作者: 時(shí)間:2007-12-13 來(lái)源:電子元器件網(wǎng) 收藏

  把直流電壓變換為另一數(shù)值的直流電壓最簡(jiǎn)單方法是串聯(lián)一個(gè)電阻,這樣不涉及變頻的問(wèn)題,顯得很簡(jiǎn)單,但是效率低。用一個(gè)半導(dǎo)體功率器件作為開(kāi)關(guān),使帶有濾波器(L或/和C)的負(fù)載線路與直流電壓一會(huì)兒接通,一會(huì)兒斷開(kāi),則負(fù)載上也得到另一個(gè)直流電壓,這就是DC-DC的基本手段,類似于“斬波”(Chop)作用。

  一個(gè)周期Ts內(nèi),電子開(kāi)關(guān)接通時(shí)間ton所占整個(gè)周期Ts的比例,稱接通占空比D,D=ton/Ts;斷開(kāi)時(shí)間toff所占Ts比例,稱斷開(kāi)占空比D’,D’= toff/Ts。很明顯,接通占空比越大,負(fù)載上電壓越高;1/Ts=fs稱開(kāi)關(guān)頻率,fs越高,負(fù)載上電壓也越高。這種中的開(kāi)關(guān)都在某一固定頻率下(如幾百千赫茲)工作,這種保持開(kāi)關(guān)頻率恒定,但改變接通時(shí)間長(zhǎng)短(即脈沖的寬度),使負(fù)載變化時(shí),負(fù)載上電壓變化不大的方法,稱脈寬調(diào)制法(Pulse Width Modulation,簡(jiǎn)稱為PWM)。由于電子開(kāi)關(guān)按外加控制脈沖而通斷,控制與本身流過(guò)的電流、二端所加的電壓無(wú)關(guān),因此電子開(kāi)關(guān)稱為“硬開(kāi)關(guān)”。很明顯,由于硬開(kāi)關(guān)關(guān)斷和開(kāi)通時(shí),開(kāi)關(guān)上同時(shí)存在電壓、電流,損耗是比較大的,但無(wú)論如何比串聯(lián)電阻變換方法損耗小得多。這就是開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)之一。

  凡用脈寬調(diào)制方式控制電子開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)變換器,稱為PWM開(kāi)關(guān)變換器。它是以使用“硬開(kāi)關(guān)”為主要特征的。

  另一類稱之為軟開(kāi)關(guān)。凡用控制方法使電子開(kāi)關(guān)在其兩端電壓為零時(shí)導(dǎo)通電流,或使流過(guò)電子開(kāi)關(guān)電流為零時(shí)關(guān)斷,此開(kāi)關(guān)稱為軟開(kāi)關(guān)。軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)通、關(guān)斷損耗理想值為零。由于損耗小,開(kāi)關(guān)頻率可提高到兆赫級(jí),開(kāi)關(guān)體積、重量顯著減少。

  可用諧振(Resonance)的方法使電子開(kāi)關(guān)上電壓或電流為零,諧振分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振。在開(kāi)關(guān)電路中加的電壓是直流電壓,直流電壓加在串聯(lián)的LC時(shí),電路中電流按正弦規(guī)律無(wú)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(xiàn)象,電子開(kāi)關(guān)器件兩端電壓按正弦規(guī)律振蕩,當(dāng)振蕩到零時(shí),使電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通,流過(guò)電流,此法稱零電壓開(kāi)通(Zero Voltage Switching 簡(jiǎn)稱ZVS)。同理,當(dāng)流過(guò)電子開(kāi)關(guān)器件的電流振蕩到零時(shí),使電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi),此法稱為零電流關(guān)斷(Zero Current Switching 簡(jiǎn)稱ZCS)。

  利用諧振現(xiàn)象,使電子開(kāi)關(guān)器件上電壓或電流按正弦規(guī)律變化,以創(chuàng)造零電壓開(kāi)通或零電流關(guān)斷的條件,以這種技術(shù)為主導(dǎo)的變換器稱諧振變換器,它有串聯(lián)和并聯(lián)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(lián)LC網(wǎng)絡(luò),再接變壓器原邊繞組(包括帶副邊整流電路),稱為串聯(lián)諧振變換器。在橋式變換器串聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)的電容兩端并聯(lián)變壓器原邊繞組(包括帶副邊整流電路),稱為并聯(lián)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(duì)稱。一般正向正弦半波大于負(fù)向正弦半波,所以常稱為準(zhǔn)諧振。無(wú)論是串聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò),或并聯(lián)的LC網(wǎng)絡(luò)都會(huì)產(chǎn)生準(zhǔn)諧振。

  利用準(zhǔn)諧振現(xiàn)象,使電子開(kāi)關(guān)器件上的電壓或電流按正弦規(guī)律變化,從而創(chuàng)造了零電壓或零電流的條件,以這種技術(shù)為主導(dǎo)的變換器稱為準(zhǔn)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(dǎo)體功率管或整流管的結(jié)電容)或外加諧振電感和電容,可得到相應(yīng)的準(zhǔn)諧振變換器。

  諧振回路、參數(shù)可以超過(guò)兩個(gè),例如三個(gè)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(fù)載變化而變化(或基本不變),諧振、準(zhǔn)諧振和多諧振變換器主要靠調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率,所以是調(diào)頻系統(tǒng)。{{分頁(yè)}}

  調(diào)頻系統(tǒng)不如PWM開(kāi)關(guān)那樣易控,加上諧振、準(zhǔn)諧振、多諧振電路諧振電壓(或電流)峰值高,開(kāi)關(guān)受的應(yīng)力大,因此這幾年熱門(mén)的研究課題是零開(kāi)關(guān)-PWM變換器和零轉(zhuǎn)換-PWM變換器。

  零開(kāi)關(guān)-PWM變換器是指在準(zhǔn)諧振變換器中,增加一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)控制的電路,使變換器一周期內(nèi),一部分時(shí)間按ZCS或ZVS準(zhǔn)諧振變換器工作,另一部分時(shí)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(guò)零(或電流過(guò)零)控制的軟開(kāi)關(guān)特點(diǎn),又有PWM恒頻調(diào)寬的特點(diǎn)。這時(shí)諧振網(wǎng)絡(luò)中的電感是與主開(kāi)關(guān)串聯(lián)的。

  零轉(zhuǎn)換-PWM變換器與零開(kāi)關(guān)-PWM變換器并無(wú)本質(zhì)上的差別,也是軟開(kāi)關(guān)與PWM的結(jié)合,只不過(guò)諧振網(wǎng)絡(luò)是與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)的。

  從上面所述,DC-DC可分成PWM式、諧振式和它們的結(jié)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(wú)隔離兩類。每一類中又有六種拓?fù)洌築uck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic和Zeta。由此可見(jiàn)DC-DC基本電路就不勝其數(shù)了。多數(shù)電路都具有個(gè)性,有典型應(yīng)用價(jià)值,也有的電路并無(wú)實(shí)用價(jià)值。

  以上是從電路拓?fù)鋪?lái)分類,還有從其他角度、特征來(lái)分類的。例如,若按激勵(lì)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(diào)頻、調(diào)寬、調(diào)幅、諧振等幾種。目前應(yīng)用較廣的是調(diào)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(lián)諧振、并聯(lián)諧振、串并聯(lián)諧振等線路;按諧振式的開(kāi)關(guān)什么時(shí)候接通來(lái)分,又可分為零電流開(kāi)關(guān)和零電壓開(kāi)關(guān)等。

  若按控制信號(hào)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(guò)電子器件完成電壓-頻率,或者頻率-電壓的轉(zhuǎn)換工作之后,用變壓器與控制信號(hào)隔離。

  根據(jù)電感電流是否連續(xù),有兩種工作模式。一種是連續(xù)導(dǎo)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(xù)導(dǎo)電模式(DCM,Discontinuous Conduction Mode),在輕載下工作于這種模式。

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