DCDC变换器的基本手段和分类.docx

1、DCDC变换器的基本手段和分类开关变换器和开关电源电源有如人体的心脏，是所有电设备的动力。标志电源特性的参数有功率、电压、频率、噪声及带负载时参数的变化等；在同一参数要求下，又有体积、重量、形态、效率、可靠性等指标。在有些情况下，一般电力要经过转换才能符合使用的需要。例如，交流转换成直流，高电压变成低电压等。按电力电子的习惯称谓，AC-DC（理解成AC转换成DC，其中AC表示交流电，DC表示直流电）称为整流（包括整流及离线式变换），DC-AC称为逆变，AC-AC称为交流-交流直接变频（同时也可以是变压），DC-DC称为直流-直流变换。为达到转换目的，手段是多样的。20世纪60年代前，研发了半导

2、体器件，并以次器件为主实现这些转换。电力电子学科从此形成并有了近30年的迅速发展。所以，广义地说，凡半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一形态的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称开关电源（Switching Power Supply）。开关电源主要组成部分是DC-DC变换器，因为它是转换的核心，涉及频率变换。目前DC-DC变换中所用的频率提高最快，它在提高频率中碰到的开关过程、损失机制，为提高效率而采用的方法，也可作为其他转换方法参考。常见到离线式开关变换器（Off-line Switching Converter）名称，即AC-DC变换，也常

3、称开关整流器；它不仅包含整流，而且整流后又做了DC-DC变换。所谓离线并不是变换器与市电线路无关的意思，只是变换器中因有高频变压器隔离，使输出的直流与市电隔离，所以称离线式开关变换器。稳压电源的分类及基本知识开关型交流稳压电源 它应用于高频脉宽调制技术，与一般开关电源的区别是它的输出量必须是与输入侧同上频、同相的交流电压。它的输出电压波型有准方波、梯型波、正弦波等，市场上的不间断电源（UPS）抽掉其中的蓄电源和充电器，就是一台开关型交流稳压电源的稳压性好，控制功能强，易于实现智能化，是非常具有前途的交流稳压电源。但因其电路复杂，价格较高，所以推广较慢。 二、直流稳定电源的种类及选用： 直流稳定

4、电源按习惯可分为化学电源，线性稳定电源和开关型稳定电源，它们又分别具有各种不同类型： 化学电源 我们平常所用的干电池、铅酸蓄电池、镍镉、镍氢、锂离子电池均属于这一类，各有其优缺点。随着科学技术的发展，又产生了智能化电池；在充电电池材料方面，美国研制 员发现锰的一种碘化物，用它可以制造出便宜、小巧、放电时间 ，多次充电后仍保持性能良好的环保型充电电池。 线性稳定电源 线性稳定电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降来稳定输出。由于调整管静态损耗大，需要安装一个很大的散热器给它散热。而且由于变压器工作在工频（50Hz)上,所以重量较大。 该类电源优点是稳定性高，

5、纹波小，可靠性高，易做成多路，输出连续可调的成品。缺点是体积大、较笨重、效率相对较低。这类稳定电源又有很多种，从输出性质可分为稳压电源和稳流电源及集稳压、稳流于一身的稳压稳流（双稳）电源。从输出值来看可分定点输出电源、波段开关调整式和电位器连续可调式几种。从输出指示上可分指针指示型和数字显示式型等等。 开关型直流稳压电源 与线性稳压电源不同的一类稳电源就是开关型直流稳压电源，它的电路型式主要有单端反激式，单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。它和线性电源的根本区别在于它变压器不工作在工频而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹。功能管不是工作在饱和及截止区即开关状态；开关电源因此而得名。 开关电源的优点是

6、体积小，重量轻，稳定可靠；缺点相对于线性电源来说纹波较大（一般1%VO(P-P),好的可做到十几mV(P-P)或更小)。它的功率可自几瓦几千瓦均有产品。价位为3元十几万元/瓦，下面就一般习惯分类介绍几种开关电源： AC/DC电源 该类电源也称一次电源，它自电网取得能量，经过高压整流滤波得到一个直流高压，供DC/DC变换器在输出端获得一个或几个稳定的直流电压，功率从几瓦几千瓦均有产品，用于不同场合。属此类产品的规格型号繁多，据用户需要而定通信电源中的一次电源（AC220输入，DC48V或24V输出)也属此类. DC/DC电源 在通信系统中也称二次电源，它是由一次电源或直流电池组提供一个直流输入电

7、压，经DC/DC变换以后在输出端获一个或几个直流电压。 通信电源 通信电源其实质上就是DC/DC变换器式电源，只是它一般以直流48V或24V供电，并用后备电池作DC供电的备份，将DC的供电电压变换成电路的工作电压，一般它又分中央供电、分层供电和单板供电三种，以后者可靠性最高。 电台电源 电台电源输入AC220V/110V，输出DC13.8V,功率由所供电台功率而定,几安几百安均有产品.为防止AC电网断电影响电台工作,而需要有电池组作为备份,所以此类电源除输出一个13.8V直流电压外,还具有对电池充电自动转换功能。 模块电源 随着科学技术飞速发展，对电源可靠性、容量/体积比要求越来越高，模块电源

8、越来越显示其优越性，它工作频率高、体积小、可靠性高，便于安装和组合扩容，所以越来越被广泛采用。目前，目前国内虽有相应模块生产，但因生产工艺未能赶上国际水平，故障率较高。 DC/DC模块电源目前虽然成本较高，但从产品的漫长的应用周期的整体成本来看，特别是因系统故障而导致的高昂的维修成本及商誉损失来看，选用该电源模块还是合算合算的，在此还值得一提的是罗氏变换器电路，它的突出优点是电路结构简单，效率高和输出电压、电流的纹波值接近于零。 特种电源 高电压小电流电源、大电流电源、400Hz输入的AC/DC电源等，可归于此类，可根据特殊需要选用。开关电源的价位一般在2-8元/瓦特殊小功率和大功率电源价格稍

9、高，可达11-13元/瓦。DC-DC变换器的基本手段和分类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=ton/Ts；断开时间toff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/Ts=fs称开关频率，fs越高，负载上

10、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

11、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ZV

12、S）。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

13、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，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。调频系统不如PWM开关

14、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，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

15、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

16、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。单端隔离式

17、DC-DC变换器在高频PWM变换器中加变压器，称为隔离式（Isolated）变换器。一般PWM变换器中加变压器的目的有两个。一个是引入隔离，使电源和负载两个直流系统之间有绝缘，另一个是改变输出-输入电压比。隔离式DC-DC变换器有两类：单端（Single-ended）和双端（Double-ended）。单端隔离式DC-DC变换器在一个开关周期内，直流输入功率只从变压器一次绕组的一端流入，故称单端。单端隔离式变换器的主要缺点是：功率只在开关管导通时间DT内输入变压器，变压器磁心只在B-H平面第一象限运行，因此磁心不能得到充分利用。图单端DC-DC PWM变换器a)非隔离式b)隔离式图1给出五种单

18、端隔离式DC-DC变换器，包括：正激（Forward），反激(Flyback)，隔离式Cuk、SEPIC和Zeta，如图1(b)所示。单端隔离式DC-DC变换器特点如下：(1)图1(a)四个非隔离式变换器与四个隔离式变换器对应：Buck-Boost变换器（和反激变换器对应），其余三个分别为Cuk、SEPIC、Zeta变换器。(2)反激变换器、隔离式SEPIC和Zeta变换器，都是用变压器分别代替Buck-Boost、非隔离式SEPIC和Zeta变换器中的并联电感构成的。(3)Buck变换器和Boost变换器没有有实用意义的单端隔离式变换器与之对应。(4)就变压器一次侧电路而言，隔离式SEPIC

19、变换器和Cuk变换器相同；对二次侧电路说，隔离式SEPIC变换器与反激变换器相同。隔离式Zeta变换器则相反，对变压器一次侧电路说，隔离式Zeta变换器和反激变换器相同，对二次侧电路来说，隔离式Zeta变换器则与Cuk变换器相同。(5)隔离式Cuk变换器的构造方法：将非隔离式Cuk变换器耦合电容分成两个，在其间加入一个高频变压器。开关导通时，耦合电容释放储能，变压器则释放励磁能量，反向磁化；当开关关断时，正向励磁。变压器磁心可在第一和第三象限工作，磁心可得到充分利用，这是隔离式Cuk变换器磁心和正激、反激变换器磁心不同之处。虽然隔离式Cuk变换器仍属于单端变换器，它也无需另加复位措施。(6)单

20、端隔离式DC-DC变换器的直流输出电压，其纹波频率等于开关频率。DC-DC推挽变换器Buck型DC-DC推挽变换器主电路如图1所示，它有两个一次绕组，二次绕组输出经桥式全波整流，或用中点抽头全波整流。推挽变换器可以看作是两个正激变换器的组合，一个开关周期内，这两个正激变换器轮流交替工作。因此可认为：一个处于Push状态时，另一个处于Pull状态。原则上，两个正激变换器应当是完全对称、平衡的。在这个条件下，高频变压器所承受的交流方波电压是正负对称的。当一台正激变换器不工作时，滤波电感能量可以通过另一台正激变换器的二次侧回路向负载释放。所以这里续流二极管实际上可接可不接。每个开关管承受的最大电压和

21、正激变换器一样，为2Vi。图Buck型DC-DC推挽PWM变换器CCM条件下，推挽PWM变换器的输出-输入电压变换比为：但当两个正激变换器不完全对称、平衡时，高频交流方波电压正负不对称，相当于高频交流方波上叠加一个直流偏压（虽然很小），造成每个开关周期内，磁心正向和反向磁化不相同，使磁心磁状态向一个方向偏磁，这种现象称为直流偏磁。几个开关周期积累的偏磁，会使磁心进入饱和状态。导致高频变压器励磁电流太大，甚至损坏开关器件。全桥变换器原理桥式变换器由四个功率晶体管组成。相对于半桥而言，功率晶体管及驱动装置个数要增加1倍，成本较高，但可用在要求功率较大的场合。线路的优点：主变压器只需要一个原边绕组，

22、通过正、反向的电压得到正、反向磁通，副边有一个中心抽头绕组采用全波整流输出。因此，变压器铁心和绕组的最佳利用，使效率、功率密度得到提高。功率开关在非常安全的情况下运作。在一般情况下，最大的反向电压不会超过电源电压Vs，四个能量恢复（再生）二极管能消除一部分由漏感产生的瞬间电压。这样无须设置能量恢复绕组，反激能量便得到恢复利用。线路的缺点：需要功率元件较多。在导通的回路上，至少有两个管压降，因此功率损耗也比双晶体管推挽式变换器1倍。但是在高压离线开关电源系统中，这些损耗还是可接受的。另外，能量恢复（再生）方式，由于有四个二极管，损耗略有增加。图示出一个DC-DC桥式变换器的主回路。桥对角的两个功

23、率晶体管作为一组，每组同时接通或断开（也可其他方式），两组开关轮流工作，在一周期中的短时间内，四个开关管将均处于断开状态。四个开关导通（或关断）占空比值均相等。图桥式变换器的主电路图图中用到一个与发射极电流成比例的基极驱动电路，特点是使得基极驱动电流总是与集电极电流成比例。这种技术特别适合大功率的变换器。在稳态条件下，功率管断开期间，滤波电感L1上有一确定的电流量，并经过续流二极管D5、D6继续流动。二管的电流基本相等，二管电流之和折算到原边绕组T1p，就是Tr1、Tr3（或Tr2、Tr4）关断前T1p上流过的电流值（扣除一小部分的磁化电流）。由于二极管D5、D6同时导通，副边绕组两端的电压为

24、零。典型的集电极电压波形VTr4C、副边电压波形VT1S等如图所示。图桥式变换器原边、副边电压及原边电流波形其工作过程如下：给Tr1、Tr3触发脉冲，这两个晶体管都导通，集电极电流流过原边绕组T1p和相应的驱动变压器的原边绕组T2A、T2B。通过正反馈，这两个晶体管的触发性能得到改善，使开关快速进入饱和导通状态。随着Tr1和Tr3的导通，受原边绕组漏感影响，原边绕组T1p上的电流Ip以额定速率逐渐上升，这个电流由负载电流折算值和一小部分磁化电流所组成。同时，副边的整流二极管D5的电流增加，D6的电流会减少。其速率由副边绕组的漏感和经过D5和D6的环路电感所确定。对于低电压、大电流的输出，外环路

25、电感的影响尤为显著。当副边电流增加到在Tr1和Tr3导通前折算流过L1的电流数值时，D6反向偏置。这时L1的输入电压上升到副边线圈的电压值Vs(=VT1s)减去D5的压降。L1两端的电压为（Vs-Vo）作为正向。在此期间，L1电流线性变化。这个电流折算到原边，如图所示。经过驱动电路决定的导通占空比后，基极驱动变压器使基极驱动电流为零，使Tr1和Tr3截止。然而，在变压器原边磁化电流和安匝数具有保持不变特性，这个电流会转换到副边。接着，由于T1p极性反向，所有绕组的电压反向。如果漏感非常小，缓冲电容器C5、R5和输出整流二极管D5、D6会起到钳位作用。D5和D6会把大部分的反激电势传送给输出，因

26、为原边二极管D1到D4和副边二极管D5、D6的强制钳位，很多时候靠这几个二极管使开关晶体管两端的电压任何时候都不会超过电压Vs。每个Tr晶体管旁均并有阻容元件（如R5、C5）作为缓冲器。在Tr2瞬间断开时，缓冲器元件R5、C5通过提供交流通道，减少功率晶体管断开时的集电极电压应力。由输出二极管提供反激续流作用是线路的一个重要特色。在图中，D5和D6均导通时，副边绕组两端电压为零，原边绕组两端电压也为零。因此，在四个晶体管都关断期间铁心磁感应强度不会恢复到Br，而会保持在磁感应强度峰值+Bopt或-Bopt。因此，当另一对开关管从关断转为导通时，磁密增加范围可以是2Bopt。这种情况不会引起什么

27、问题，而且变压器原边匝数可以比较少。当负载很小并且小到低于磁化电流时，副边二极管的钳位作用就会消失。然而没什么问题，因为在这种情况下，触发脉冲非常窄，而磁感应强度增量也很小。启动或当负载很小，占空比很小，脉冲很窄时，对应的工作磁感应强度Bw很小，如果负载突然增加，激励使导通占空比最大，满脉宽工作，即有双倍磁通效应，如超过饱和磁感应强度Bs，这种情况与半桥式相似，应采用防止措施。DC-DC变换器主回路元件及其特性1 功率开关任何一种DC-DC变换器，主回路使用的元件只是功率开关、电感和电容。功率开关只有快速地开通、快速地关断这两种状态，并且快速地进行转换。只有快速，状态转换引起的损耗才小。目前使

28、用的功率开关多是双极型晶体管、功率场效应管，逐步普及的有IGBT管，还有各种特性较好的新式的大功率开关元件。除了220V整流用的二极管是普通整流管外，其他二极管是开关二极管，要求能快速地开关。主回路也不是绝对不能有电阻元件。但前提是极有利于控制性能而又不引起多大的损耗，而且限于在几十瓦以下的小功率变换器中应用。一般其阻值在毫欧级，其所得到的毫欧级电压可作为当前工作周期进行电流控制或保护的信号。2 电感电感是开关电源中常用的元件，由于它的电流、电压相位不同，因此理论上损耗为零。电感常用作储能元件，也常与电容一起用在输入滤波器和输出滤波器上，用于平滑电流，也称它为扼流圈。其特点是流过其上的电流有“

29、很大的惯性”。换句话说，由于“磁通连续”性，电感上的电流必须是连续的，否则将会产生很大的电压尖峰波。电感为磁性元件，有磁饱和的问题。应用中有允许其饱和的，有允许其从一定电流值起开始进入饱和的，也有不允许其出现饱和的，在具体线路中要注意区分。在多数情况下，电感工作在“线性区”，此时电感值为一常数，不随端电压与流过电流而变化。但是，在开关电源中有一个不可忽视的问题，就是电感的绕线所引起两个分布参数（或称寄生参数）的现象。其一是绕线电阻，这是不可避免的；其二是分布式杂散电容，随绕制工艺、材料而定。杂散电容在低频时影响不大，随着频率的提高而渐显出来，到某一频率以上时，电感也许变成电容的特性了。如果将杂

30、散电容“集成”为一个，则从电感的等效电路可以明白地看出在某一角频率后的电容性。在分析电感在线路中工作或绘波形图时，可以考虑下面几个特点：（1） 在电感L中有电流I流过时，储存有的能量；（2） 当电感L两端的电压V不变时，依公式可知，忽略内阻R时，电感电流变化率，表明电感电流线性增加；（3） 正在储能的电感器，因为能量不能瞬时突变，若切断电感在变压器原边回路时，能量绝大部分经变压器副边出现的电流输送至负载，原、副边耦合中保持相同的安匝数，维持磁场不变，或每匝伏秒值不变。（4） 像电容器有充、放电一样，电感器也有充、放电电压。电容上的电压与电流的积分（称为安秒值）成正比，电感上的电流与电压的积分（

31、称为伏秒值）成正比，如图1所示。只要电感器电压变化，其电流斜率也变化；正向电压使电流从零线性上升；反向电压使电流线性下降。根据能量守恒原理，在电感器正负伏秒值相等的某一时间点上，线性变化的电流重新降到零。图1 电感特性与电容特性的比较3 电容电容是开关电源中常用的元件，它与电感一样也是储存电能和传递电能的元件，但对频率的特性却刚好相反。应用上，主要是“吸收”纹波，具有平滑电压波形的作用。实际的电容并不是理想元件。电容器由于有介质、接点与引出线，形成一个等效串联内电阻ESR。这种等效串联内电阻在开关电源中小信号反馈控制上，以及输出纹波抑制的设计上，起着不可忽略的作用。另外电容等效电路上有一个串联

32、的电感，它在分析电容器滤波效果时，非常重要。有时加大电容量并不能使电压波形平直，就是因为这个串联寄生电感起着副作用。电容的串联电阻与接点和引出线有关，也与电解液有关。常见铝电解电容电解质的成分为AL2O3,导电率比空气的约大七倍，为了能继续提高电容量，把铝箔表面做成有规律的凸凹不平状，使氧化膜表面积加大（因为电容量与表面积成正比），加入的电解液可在凹凸面上流动。普通的铝电解电容，在高频脉动电流大幅度增加下，高频阻抗温度上升较大，成了开关电源长寿命的瓶颈。所谓好电容耐纹波电流，耐温升，ESR值小。如果电容电解液受温度影响，温度升高，电阻减少，即电容串联电阻减小，则是理想的。KX16VB和KM16VB高温长寿命电容的阻抗随温度增加而下降的情况示于图2中。图2 电容阻抗与频率的关系（温度为参变量）温度升高，等效串联电阻(ESR)加大，导致电容寿命减短，这是普通铝电解电容的缺点。为了改善这一缺点，将电解液覆盖在氧化膜表面后将其干燥，形成固体式电