DCDC變換器主要技術(shù)的發(fā)展綜述

1、DC-DC變換器主要技術(shù)的發(fā)展綜述王學(xué)梅，張波, 丘東元（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東省 廣州市 510640）Review on the Development of DC-DC ConvertersWang Xuemei Zhang Bo Qiu DongyuanSouth China University of Technology, Guangzhou, 510640, China摘要：近二十年來，隨著功率開關(guān)器件的發(fā)展，DC-DC變換器的拓?fù)浜妥儞Q技術(shù)取得了很大的成就。本文對DC-DC變換器中的主要技術(shù)軟開關(guān)、同步整流、移相PWM技術(shù)和多電平技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并討論了變換器未

2、來的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：PWM 軟開關(guān) 同步整流 多電平Abstract DC-DC converters topologies and techniques have made a great achievement along with the power devices development in the recent twenty years. This paper reviews the main techniques of DC-DC converters, which are soft switching technique, synchronous rectification,

3、 shift-phase PWM and multi-level technique. At last, the trends and future of the DC-DC converters have been discussed.Keywords Soft switching, Synchronous rectification, Shift-phase PWM, Multi-level 1引言DC-DC變換器是將不可調(diào)的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧{(diào)或固定直流電壓，是一個用開關(guān)調(diào)節(jié)方式控制電能的變換電路，這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種開關(guān)電源、直流調(diào)速、燃料電池、太陽能供電和分布式電源系統(tǒng)中。上個世紀(jì)

4、，隨著功率開關(guān)器件的發(fā)展，變換器拓?fù)浜妥儞Q技術(shù)已經(jīng)取得了很大的成就，并且已經(jīng)發(fā)展到一個相當(dāng)高的水平1-3。在DC-DC變換器演化過程中，離不開各種直流變換技術(shù)，各種新技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展很大程度上影響了變換器拓?fù)涞难莼?。等?1)常用來衡量變換器的優(yōu)劣4，高功率密度、高效率、高性能、高可靠性以及低成本小體積是DC-DC變換器的發(fā)展方向，各種變換技術(shù)也都圍繞著提高變換器性能而相繼被提出。 (1)本文對軟開關(guān)、同步整流、移相PWM技術(shù)、多電平技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并展望了直流變換器的未來的發(fā)展趨勢。2 軟開關(guān)技術(shù)高頻化是開關(guān)變換技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。大功率場效應(yīng)管(MOS管)和功率絕緣柵晶體管

5、(IGBT管)的應(yīng)用，使高頻開關(guān)電源工作頻率越來越高，高頻變壓器和濾波器體積越小，變換器體積越小，從而提高開關(guān)器件的功率密度。但由于器件開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比，頻率越高，開關(guān)損耗越大，電路效率也越低，此外，開關(guān)頻率越高，電路中的di/dt和dv/dt越高，電路所產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)也越強，影響控制和驅(qū)動的穩(wěn)定性，因此必須設(shè)法減小開關(guān)損耗，軟開關(guān)技術(shù)因此孕育而生。最早的軟開關(guān)技術(shù)是在電路中增加有源或無源的緩沖電路，其后出現(xiàn)了諧振軟開關(guān)變換器，包括傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振(SRC)和并聯(lián)諧振(PRC)，以及準(zhǔn)諧振變換器(QRC)和多諧振變換器(MRC)。準(zhǔn)諧振變換器出現(xiàn)在上世紀(jì)80年代中期，包括零電流

6、開關(guān)準(zhǔn)諧振(ZCS QRC)和零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振(ZVS QRC)。這兩種電路雖然使主開關(guān)管在零電壓或零電流下導(dǎo)通和關(guān)斷，但需要采用頻率調(diào)制技術(shù)，給實際應(yīng)用造成較大不便，并且開關(guān)管的電流或電壓應(yīng)力較大6。為了消除因頻率調(diào)制而造成的不足， Ivo Barbi在上世紀(jì)90年代提出了ZCS-PWM和ZVS-PWM變換器。ZVS-PWM和ZCS-PWM變換器是PWM電路與QRCs的結(jié)合，在基本的ZVS和ZCS中增加了一個輔助開關(guān)。這個輔助開關(guān)一方面以通過諧振為主功率開關(guān)管創(chuàng)造零電壓或零電流開關(guān)的條件，一方面可以阻斷諧振過程，在這段時間中讓主功率開關(guān)管按PWM方式工作。因此，ZCS-PWM和ZVS-PWM

7、變換器既有軟開關(guān)的特點，又有PWM恒頻占空比調(diào)節(jié)的特點7。但上述各種軟開關(guān)變換器均存在以下不足：開關(guān)管的電流或電壓應(yīng)力大，造成電路損耗的增加，部分抵消了開關(guān)損耗的降低；諧振電感和電容由于應(yīng)力增大而造成體積的增大；由于諧振電感串聯(lián)在主功率回路中存在很大環(huán)流而增加電路的整體損耗，且軟開關(guān)的工作條件極大地依賴于輸入電壓和輸出負(fù)載的變化，電路很難在一個很寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關(guān)動作。為了解決以上問題，G. C. Hua在上世紀(jì)90年代相繼提出了零電壓轉(zhuǎn)換(ZVT)和零電流轉(zhuǎn)換(ZCT)的概念8-9。其基本思想是將輔助諧振網(wǎng)絡(luò)從主功率通路中移開，與主功率開關(guān)管相并聯(lián)。在主功率器件變換的一段很短的時間間隔內(nèi)，

8、使輔助諧振網(wǎng)絡(luò)工作，為主功率開關(guān)管創(chuàng)造ZVS或ZCS條件；轉(zhuǎn)換過程結(jié)束后，電路返回常規(guī)PWM工作方式，這樣環(huán)流能量相對于諧振電路保持在較小的數(shù)值，且軟開關(guān)條件與輸入電壓和輸出負(fù)載的變化無關(guān)。現(xiàn)在諧振技術(shù)還只適合于開關(guān)器件較少的變換器，其中ZVS和ZCS廣泛應(yīng)用于中功率變換，零轉(zhuǎn)換技術(shù)適宜于大功率(大于100kW)電能變換/逆變場合。在新型軟開關(guān)拓?fù)渲?，文獻(xiàn)10提出了一種新穎的ZVZCT PWM變換器，如圖1所示。該軟開關(guān)單元包括諧振電容Cr1、Cr2，諧振電感Lr,輔助開關(guān)管Sa和輔助二極管Ds，Dsa和D1。該電路采用PWM控制，不僅能實現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓和零電流開關(guān)，并且能實現(xiàn)輔助開關(guān)管的

9、零電流導(dǎo)通和零電壓零電流關(guān)斷，同時能實現(xiàn)副邊續(xù)流二極管的零電流零電壓關(guān)斷和零電壓導(dǎo)通。但電路略顯復(fù)雜，且主開關(guān)管瞬時電流峰值較高，二極管D的開通電流有較大幅度振蕩。值得注意的是，軟開關(guān)變換器的性能依賴于所用的功率開關(guān)器件，如MOSFET有高的開關(guān)速度和較大的寄生電容，容易產(chǎn)生開通損耗，因此易采用零電壓開通方式；IGBT由于關(guān)斷時的電流拖尾會產(chǎn)生較大的關(guān)斷損耗，易采用零電流關(guān)斷方式。不同器件的動態(tài)性能不同，同一個電路因使用不同的開關(guān)器件性能會有所不同，同一個器件應(yīng)用于不同的拓?fù)湫阅芤矊⒂泻艽蟛煌?，在選擇軟開關(guān)拓?fù)鋾r要綜合考慮各種因素。另外，任何軟開關(guān)技術(shù)都有其不足之處，軟開關(guān)技術(shù)控制復(fù)雜，很多時

10、候并達(dá)不到預(yù)計的效果，目前還只是集中應(yīng)用在較小功率電源中。(a) ZVZCT基本開關(guān)單元 (b) ZVZCT Buck原理圖圖1 一種新型的ZVZCT PWM變換器Fig 1. A new ZVZCT PWM converter3 同步整流隨著通信和計算機等IT產(chǎn)品功能不斷加強，所含元件及功耗驟增，只能降低其工作電壓，采用低壓大電流的功率變換器。到2005年，PC機電源已降至1.20.9 V，2010年有望降至1.00.6V。在輸出低電壓和大電流的情況下，普通二極管顯然已經(jīng)不能滿足高效和高功率密度的要求。雖然肖特基二極管(SBD)的正向壓降可以降到0.3V以下，但對于5V以下的低電壓大電流DC

11、-DC變換器，仍是損耗的主要來源之一。用低壓功率MOSFET工作在第三象限構(gòu)成的整流電路因為MOSFET的導(dǎo)通電阻小、通態(tài)壓降低，反向電流小，可以大大降低電路損耗。因為MOSFET的門極控制電壓要求與漏源極電壓同步，因此稱為同步整流。目前可用于同步整流的功率MOSFET的最低導(dǎo)通電阻為3-4.5m，如果輸出電流為10A，其正向?qū)▔航祪H為0.330.045V；如果輸出電流為50A，其正向?qū)▔航祪H為0.150.225V，從而可以滿足低電壓大電流功率變換器的高效率的需要。同步整流技術(shù)誕生于上世紀(jì)80年代，多用于Buck族有隔離變換器的各種拓?fù)?1-12。圖2為同步整流正激變換器，Q2為整流管，Q

12、3為續(xù)流管。當(dāng)變壓器原邊主開關(guān)管Q1導(dǎo)通時，副邊電流流過Q2的體二極管，使Vgs3=0，Q3截止，Vgs3=V2，Q2導(dǎo)通；反之，當(dāng)主開關(guān)管Q1截止時，Q2截止，Q3續(xù)流。由于功率MOSFET的寄生電容與開關(guān)電容損耗并存，特別是在高頻時，門極驅(qū)動損耗可能較大，現(xiàn)在的同步整流技術(shù)都在努力實現(xiàn)ZVS、ZCS方式的同步整流，并將有源箝位技術(shù)與之結(jié)合，進(jìn)一步降低了MOSFET的開關(guān)損耗，近年來取得了重大進(jìn)步，主要有以下幾個方面13：(1)開發(fā)出適用于對稱拓?fù)?推挽、半橋和全橋)的ZVS、ZCS同步整流電路，將最高效率提高到了95；(2)將數(shù)字技術(shù)結(jié)合到同步整流技術(shù)中。采取檢測同步MOSFET管的開關(guān)狀

13、態(tài)，經(jīng)過DSP運算，得到下一開關(guān)周期實現(xiàn)ZVS的最佳開關(guān)時間，突破性地做出了正激ZVS同步整流電路；(3)使用復(fù)合拓?fù)涫雇秸餍矢?。圖2 同步整流正激變換器Fig2. Synchronous rectification forward converter4 移相PWM技術(shù)移相PWM控制技術(shù)是近幾年廣泛應(yīng)用于中大功率全橋變換電路中的一種技術(shù)，這種技術(shù)實際上是諧振技術(shù)與PWM技術(shù)的結(jié)合，其基本拓?fù)湟妶D3。移相PWM常用的控制方式有雙極性控制方式、移相控制方式、有限雙極性控制方式。其中移相控制方式的基本原理是：同一橋臂的開關(guān)管互補工作，兩個橋臂間的導(dǎo)通差一個相位（移相角），通過調(diào)節(jié)移相角的大小

14、來調(diào)節(jié)輸出電壓的脈沖寬度，從而調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，利用開關(guān)管的結(jié)電容和變壓器的漏感實現(xiàn)四個開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通和關(guān)斷。其主要缺點為：滯后臂開關(guān)管在輕載下將失去零電壓開關(guān)功能；原邊有較大環(huán)流，增加了系統(tǒng)的通態(tài)損耗；存在占空比丟失現(xiàn)象；整流二極管仍然是硬開關(guān)。圖3基本移相FB-ZVS-PWM變換器Fig3. The basic shift-phase FB-ZVS-PWM converters常用的改進(jìn)方法是：(1)在變壓器初級串聯(lián)飽和電感。減小占空比丟失；(2)利用變壓器的勵磁電感擴大零電壓開關(guān)負(fù)載的變化范圍；(3)利用輸出濾波電感擴大零電壓開關(guān)的負(fù)載范圍；(4)在整流管輸出端并聯(lián)有源鉗位抑制整流

15、管電壓過沖和振蕩現(xiàn)象。但以上方法要么以增加一個大的諧振電感為代價，要么存在占空比丟失的現(xiàn)象，要么二次側(cè)的同步整流控制復(fù)雜等，都有各自的不足。其中移相控制全橋ZVZCS PWM變換器將ZVS和ZCS同時引入到全橋PWM電路中，是中大功率應(yīng)用中的首選拓?fù)?。在變壓器初級串?lián)隔直電容及飽和電感作為反向阻斷電壓源,來復(fù)位初級電流。具有效率高，功率開關(guān)器件電壓和電流應(yīng)力較小，可以在輸入電壓和輸出負(fù)載變換較寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關(guān)，功率變壓器利用率高等明顯的優(yōu)點，將其應(yīng)用于通信電源，效率可達(dá)到93以上14。5 多電平技術(shù)多電平電路泛指輸出量具有多個電平的電路，在高壓大功率領(lǐng)域，多電平比傳統(tǒng)的兩電平電路有很多優(yōu)勢

16、。例如三相PFC整流電路的輸出電壓為700800V，有的甚至高達(dá)1000V，因此功率管(MOSFET)的電壓應(yīng)力較高，造成MOSFET因?qū)▋?nèi)阻劇增使電流容量降低，采用多電平技術(shù)可有效降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力。多電平電路設(shè)計的初衷是采用多個電平拼接成輸出電壓，從而有效降低輸出波形中的諧波含量，減小輸出無源濾波器的體積和重量，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，最早應(yīng)用于具有中點箝位結(jié)構(gòu)的電壓源逆變電路(NPC-INC)。1980年，A.Narbal出了三電平直流變換器15，該變換器實質(zhì)就是中點鉗位逆變器(NPC-INV)的一個橋臂。1992年，Pinheiro和Barbi 提出了零電壓開關(guān)三電平直流變換器16，將

17、軟開關(guān)引入了三電平直流變換拓?fù)渲?。該電路最大?yōu)點是開關(guān)管的電壓應(yīng)力僅為輸入直流電壓的一半，非常適合于輸入電壓高、輸出功率大的應(yīng)用場合。利用變壓器輸出電感和漏感與開關(guān)管的結(jié)電容，外開關(guān)管很容易實現(xiàn)ZVS，依靠變壓器漏感實現(xiàn)ZVS的內(nèi)管，在輕載ZVS就可能失效。近幾年，各種三電平軟開關(guān)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相繼提出。F. Canales提出了零電壓零電流開關(guān)(ZVZCS)三電平直流變換器17，如圖4所示。該變換器采用相移控制，在主端通過一個飛跨電容使外管獲得ZVS，采用一個副邊的輔助開關(guān)電路實現(xiàn)內(nèi)管的ZCS?？朔薢VS三電平變換器高環(huán)流能量、整流二極管的寄生振蕩和軟開關(guān)條件與負(fù)載及輸入有關(guān)的缺點，開關(guān)管電

18、壓應(yīng)力僅為輸入電壓的一半，但不足之處使結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜。文獻(xiàn)18提出了9種三電平直流變換器的控制方式，引入了超前管和滯后管的概念，由此將軟開關(guān)PWM三電平直流變換器歸納為ZVS和ZVZCS兩類。文獻(xiàn)19分析了半橋三電平和全橋三電平Buck直流變換器的演化過程，并系統(tǒng)總結(jié)了六種非隔離和五種隔離型三電平直流變換器拓?fù)?。文獻(xiàn)20提出了一種新型的ZVS三電平變換器，在原邊增加一個耦合電感獲得主開關(guān)在大負(fù)載范圍內(nèi)的零電壓導(dǎo)通和關(guān)斷，同時由于諧振電感不是串聯(lián)在負(fù)載電流回路中，不會引起過低的占空比和整流電路的電壓振蕩。圖4. 移相控制ZVZCS三電平變換器Fig 4. The ZVZCS Three-Level

19、 converte目前，DC-DC變換器的多電平技術(shù)仍處于研究階段，由于多電平電路開關(guān)管數(shù)目多，工作模態(tài)復(fù)雜，統(tǒng)一建模有一定的困難。如何降低多電平電路的復(fù)雜程度，得到簡單高效的變換器拓?fù)洌页鲇行У亩嚯娖郊夹g(shù)建模方法和控制策略是多電平電路用于中低功率變換急需解決的問題。6結(jié)束語半導(dǎo)體器件是電力電子技術(shù)發(fā)展的主要推動力，DC-DC變換器今后的發(fā)展總的方向是高功率密度、高效率、高性能、高可靠性。一般來說，(1)在低功率變換器中，采用軟開關(guān)技術(shù)減小功率管的應(yīng)力，增加開關(guān)頻率，提高轉(zhuǎn)換效率，從而縮小整機體積，低電壓輸出時可采用同步整流技術(shù)提高轉(zhuǎn)換效率；(2)在高功率變換器中，盡量簡化電路拓?fù)洌崛ブT如

20、附加的諧振電路，采用高性能硬開關(guān)減少電路的復(fù)雜度從而降低成本。隨著新型半導(dǎo)體功率器件、平面磁性元件、超高容量電容、高容量可充電電池等商品化技術(shù)日趨成熟，軟開關(guān)技術(shù)、計算機輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)與高功率密度混合封裝技術(shù)將逐漸應(yīng)用于新一代直流變換器的設(shè)計。混合封裝技術(shù)是解決EMI，發(fā)熱管理和高電壓絕緣等問題的有效措施。目前低壓電容器技術(shù)、無源元件的封裝是重要問題，集成磁元件嵌入到印刷電路板已通過驗證, 但封裝過程中電容器的集成問題還暫未解決。直流變換同電力電子技術(shù)一樣存在元件、電路和系統(tǒng)三個級別。但在近二十年的發(fā)展中，變換器電路和拓?fù)湟呀?jīng)受到了過多的關(guān)注，已經(jīng)走到了成熟期，除了在高功率領(lǐng)域外顯現(xiàn)出

21、停滯的現(xiàn)象21。如何將直流變換技術(shù)提高到一個系統(tǒng)的級別上來，是今后需解決的核心技術(shù)。未來變換器應(yīng)朝綜合、系統(tǒng)的方向發(fā)展，特別是整合功率IC、模擬IC和數(shù)字IC的功率集成器件(PID)將具有很好的發(fā)展前景。參考文獻(xiàn)1R. L. STEIGERWALD, Power electronic converter technology, PROCEEDINGS OF THE IEEE, VOL. 89, NO. 6, 2001,pp.890-8972Van Wyk, power electronics technology at the dawn of the new millennium-status

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