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1、DC-DC 变换器的基本手段和分类作者： 时间：2007-12-13 来源:电子元器件网 浏览评论 推荐给好友 我有问题 个性化定制关键词： DC-DC 变换器 电源 把直流电压变换为另一数值的直流电压最简单方法是串联一个电阻，这样不涉及变频的问题，显得很简单，但是效率低。用一个半导体功率器件作为开关，使带有滤波器（L 或/和 C）的负载线路与直流电压一会儿接通，一会儿断开，则负载上也得到另一个直流电压，这就是 DC-DC 的基本手段，类似于 “斩波”（Chop）作用。一个周期 Ts 内，电子开关接通时间 ton 所占整个周期 Ts 的比例，称接通占空比D，D=t on/Ts；断开时间 tof
2、f 所占 Ts 比例，称断开占空比 D，D= toff/Ts。很明显，接通占空比越大，负载上电压越高；1/T s=fs 称开关频率，f s 越高，负载上电压也越高。这种 DC-DC 变换器中的开关都在某一固定频率下（如几百千赫兹）工作，这种保持开关频率恒定，但改变接通时间长短（即脉冲的宽度），使负载变化时，负载上电压变化不大的方法，称脉宽调制法（Pulse Width Modulation,简称为 PWM）。由于电子开关按外加控制脉冲而通断，控制与本身流过的电流、二端所加的电压无关，因此电子开关称为“硬开关 ”。很明显，由于硬开关关断和开通时，开关上同时存在电压、电流，损耗是比较大的，但无论如
3、何比串联电阻变换方法损耗小得多。这就是开关电源的优点之一。凡用脉宽调制方式控制电子开关的开关变换器，称为 PWM 开关变换器。它是以使用“硬开关”为主要特征的。另一类称之为软开关。凡用控制方法使电子开关在其两端电压为零时导通电流，或使流过电子开关电流为零时关断，此开关称为软开关。软开关的开通、关断损耗理想值为零。由于损耗小，开关频率可提高到兆赫级，开关电源体积、重量显著减少。可用谐振（Resonance）的方法使电子开关上电压或电流为零，谐振分为串联谐振和并联谐振。在开关电源电路中加的电压是直流电压，直流电压加在串联的 LC 时，电路中电流按正弦规律无阻尼振荡，其频率即电路的谐振频率，或称振荡
4、频率。利用谐振现象，电子开关器件两端电压按正弦规律振荡，当振荡到零时，使电子开关导通，流过电流，此法称零电压开通（Zero Voltage Switching 简称 ZVS）。同理，当流过电子开关器件的电流振荡到零时，使电子开关断开，此法称为零电流关断（Zero Current Switching 简称 ZCS）。利用谐振现象，使电子开关器件上电压或电流按正弦规律变化，以创造零电压开通或零电流关断的条件，以这种技术为主导的变换器称谐振变换器，它有串联和并联谐振变换器两种。如果在桥式变换器（用谐振式方法控制）桥的输出端为串联 LC 网络，再接变压器原边绕组（包括带副边整流电路），称为串联谐振变换
5、器。在桥式变换器串联 LC 网络的电容两端并联变压器原边绕组（包括带副边整流电路），称为并联谐振变换器。由于正向和反向 LC 回路值不一样，即振荡频率不同，电流幅值也不同，所以振荡不对称。一般正向正弦半波大于负向正弦半波，所以常称为准谐振。无论是串联 LC 网络，或并联的 LC 网络都会产生准谐振。利用准谐振现象，使电子开关器件上的电压或电流按正弦规律变化，从而创造了零电压或零电流的条件，以这种技术为主导的变换器称为准谐振变换器。在单端、半桥或全桥变换器中，利用寄生电感和电容（如变压器漏感，半导体功率管或整流管的结电容）或外加谐振电感和电容，可得到相应的准谐振变换器。谐振回路、参数可以超过两个
6、，例如三个或更多，称为多谐振变换器。为保持输出电压不随输入电压变化而变化，不随负载变化而变化（或基本不变），谐振、准谐振和多谐振变换器主要靠调整开关频率，所以是调频系统。分页调频系统不如 PWM 开关那样易控，加上谐振、准谐振、多谐振电路谐振电压（或电流）峰值高，开关受的应力大，因此这几年热门的研究课题是零开关-PWM 变换器和零转换-PWM 变换器。零开关-PWM 变换器是指在准谐振变换器中，增加一个辅助开关控制的电路，使变换器一周期内，一部分时间按 ZCS 或 ZVS 准谐振变换器工作，另一部分时间按PWM 变换器工作。前者称 ZCS-PWM 变换器，后者称为 ZVS-PWM 变换器。这样
7、，变换器既有电压过零（或电流过零）控制的软开关特点，又有 PWM 恒频调宽的特点。这时谐振网络中的电感是与主开关串联的。零转换-PWM 变换器与零开关-PWM 变换器并无本质上的差别，也是软开关与PWM 的结合，只不过谐振网络是与主开关并联的。从上面所述，DC-DC 可分成 PWM 式、谐振式和它们的结合式。每一种方式中从输入与输出之间是否有变压器隔离，可以分成有隔离、无隔离两类。每一类中又有六种拓扑：Buck、Boost 、Buck-Boost、Cuk、Sepic 和 Zeta。由此可见 DC-DC 基本电路就不胜其数了。多数电路都具有个性，有典型应用价值，也有的电路并无实用价值。以上是从电
8、路拓扑来分类，还有从其他角度、特征来分类的。例如，若按激励形式不同，可分为自激式和他激式两种。自激式包括单管式变换器和推挽式变换器两种。他激式包括调频、调宽、调幅、谐振等几种。目前应用较广的是调宽型（PWM），它包括正激式、反激式、半桥式和全桥式。谐振式中有串联谐振、并联谐振、串并联谐振等线路；按谐振式的开关什么时候接通来分，又可分为零电流开关和零电压开关等。若按控制信号的隔离方法，则可分为直流式、光电耦合式、变压器式、磁放大器式等。有些线路通过电子器件完成电压-频率，或者频率-电压的转换工作之后，用变压器与控制信号隔离。根据电感电流是否连续， DC-DC 变换器有两种工作模式。一种是连续导电模式（CCM，Continuous Conduction Mode），DC-DC 在重载下通常工作于这种模式；另一种是不连续导电模式（DCM，Discontinuous Conduction Mode）， DC-DC 变换器在轻载下工作于这种模式。
