DC-DC變換基本電路和控制方法綜述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上文章編號：DC-DC變換基本電路和控制方法綜述作者（江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇省無錫市 ）摘要：近20年來，隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，特別是功率開關(guān)器件的發(fā)展，DC-DC變換的拓撲結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)取得了很大的成就。本文主要是對當(dāng)前DC-DC變換電路隔離型和非隔離型、兩端口和多端口、單向變換和雙向變換和控制方法軟開關(guān)、移相PWM、同步整流、多電平技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀進行綜述，并討論了DC-DC變換器未來發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：基本電路;控制方法；隔離型；雙向；同步整流中圖分類號： 文獻標識碼： 專心-專注-專業(yè)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)或固定的直流電

2、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，隨著功率開關(guān)器件的發(fā)展，變換器拓撲和變換技術(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。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撲的演化。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。本文圍繞著DC-DC變換的基本電路隔離型和非隔離型、單端口和多端口、單向變換和雙向變換以及控制方法軟開關(guān)、同步整流、移相

3、PWM技術(shù)、多電平技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀進行綜述，并展望直流變換器未來的發(fā)展趨勢。2 隔離型和非隔離型主要電路2.1 非隔離型主要電路DC-DC非隔離型主要電路包括BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK等電路。2.1.1 降壓型BUCK電路 降壓型BUCK電路如下圖2.1所示。工作原理為：當(dāng)開關(guān)晶體管導(dǎo)通時，二極管關(guān)斷，輸入端直流電源Vi將功率傳送到負載， 圖2.1降壓型BUCK電路拓撲并使電感儲能；當(dāng)開關(guān)晶體管關(guān)斷時，二極管導(dǎo)通，續(xù)流，電感向負載釋放能量。根據(jù)原理和電路拓撲可以推導(dǎo)出變換器的輸出-輸入電壓比： Vo/Vi=D占空比D總是小于1，所以BUCK變換器是一種降壓變換器。2.1

4、.2 升壓型BOOST電路圖2.2升壓型BOOST電路拓撲如圖2.2，主電路由串聯(lián)在回路中的儲能電感L，開關(guān)管及整流二極管，濾波電容組成，它是一種可以獲得輸出電壓高于輸入電壓的DC-DC變換器。升壓變換器與降壓變換器不同之處在于：只有在開關(guān)管截止期間，才有向輸出整流濾波電容的充電電流。開關(guān)管導(dǎo)通期間由儲能濾波電容向負載提供電流。2.1.3 升降壓型BUCK-BOOST技術(shù)圖2.3 升降壓型BUCK-BOOST電路拓撲 如圖2.3所示，極性反轉(zhuǎn)型（BUCK-BOOST）變換器主電路所用元器件與BUCK、BOOST變換器相同。這種電路具有BUCK變換器降壓和BOOST變換器升壓的雙重作用，升壓還是

5、降壓取決于PWM驅(qū)動脈沖的占空比D。雖然輸出與輸出共用一個連接端，但輸出電壓的極性與輸入電壓是相反的，故稱為反極性變換器。2.1.4 CUK電路拓撲圖2.4 CUK電路拓撲CUK變換器又叫BOOST-BUCK串聯(lián)變換器，它是針對BUCK-BOOST升降壓變換器存在輸入電流和輸出電流脈動值大的缺點而提出的一種非隔離型單管DC-DC升降壓反極性變換器，具有升降壓功能。就其工作方式而言，CUK變換器也有電流連續(xù)、斷續(xù)和臨界連續(xù)三種工作方式。2.2 隔離型主要電路 在實際應(yīng)用中，基于電壓等級的變換，安全，隔離，系統(tǒng)串、并聯(lián)等原因，開關(guān)電源的輸入與輸出之間往往需要電氣隔離，這時可在非隔離型的DC-DC變

6、換電路中加入高頻變壓器，就可以得到隔離型DC-DC變換器。 按照工作時對變壓器鐵芯的不同勵磁方式，隔離型DC-DC變換器可分為兩種基本類型單向勵磁方式和雙向勵磁方式。單向勵磁方式包括單端正激型變換器、單端反激型變換器等；雙向勵磁方式包括推挽型變換器、半橋型變換器、全橋型變換器等。2.2.1 單端正激型變換器電路 圖2.5 單端正激型變換器電路拓撲 圖2.5即是單端正激型DC-DC變換器的電路拓撲，工作原理：S導(dǎo)通時，副邊D1通，D2斷，L儲能，ul=N2Ud/N1-U0 ,il上升。S關(guān)斷時，通過D2續(xù)流，il 線性下降，ul=-U0 ，進入穩(wěn)態(tài)后，電感電壓在一個周期內(nèi)的積分為零。整理得：U0

7、/Ud=N2D/N1=D/N ,式中N=N1/N2 。缺點：S容易擊穿，變壓器存在直流分量，容易飽和。2.2.2 單端反激變換器電路圖2.6 單端反激變換器電路拓撲工作原理：S導(dǎo)通時，由于變壓器副邊感應(yīng)的使D反偏截止，變壓器原邊繞組儲能，C為負載提供能量。S截止時，變壓器次級繞組向負載釋放能量。數(shù)量關(guān)系：（輸出電流連續(xù)CCM時） U0/Ud=D/N(1-D) 式中N=N1/N2缺點：S容易擊穿；變壓器存在直流分量，容易飽和。2.2.3 推挽式變換器電路 圖2.7 推挽式變換器電路拓撲電路結(jié)構(gòu)：如圖2.7特 點：S1、S2交替導(dǎo)通，不能同時導(dǎo)通，每個開關(guān)的占空比不能超過50%。數(shù)據(jù)關(guān)系：U0/U

8、d=2D/N ,N=N1/N2 耐壓（較高）：S1通、S2斷時，US2=2Ud ；S2通，S1斷，US1=2Ud 。優(yōu) 點：因S1、S2共地，驅(qū)動電路簡單。2.2.4 半橋型變換器電路 圖2.8 半橋型變換器電路拓撲電路結(jié)構(gòu)：如圖2.8特 點：通過電容器C1、C2建立電壓中點，S1、S2交替閉合，閉合的時間均為tON ,不能同時導(dǎo)通。數(shù)據(jù)關(guān)系：U0/Ud=D/N , N=N1/N2耐 壓：Ud缺 點：因S1、S2不共地，驅(qū)動電路需要隔離。2.2.5 全橋型變換器電路 圖2.9 全橋型變換器電路拓撲電路結(jié)構(gòu)：如圖2.9特 點：隔離變壓器原邊的全橋中開關(guān)元件成對動作，S1、S4為一組，S

9、2、S3為另一組。兩開關(guān)對交替工作，且閉合時間均為tON 。數(shù)據(jù)關(guān)系：U0/Ud=2D/N ，N=N1/N2優(yōu) 點： 輸出功率最大。缺 點： 需要4個開關(guān)器件，需要4批彼此絕緣的驅(qū)動電路，電路最復(fù)雜。3 兩端口和多端口主要電路 上面介紹的隔離型和非隔離型DC-DC變換器基本電路為單輸入單輸出結(jié)構(gòu)，例如基本的BUCK、BOOST、BUCK-BOOST等電路。 將幾個不同功率源的獨立DC-DC變換器用一個多端口變換器來代替如圖2.10所示，將幾個獨立的DC-DC變換器整合成一個集成多端口DC-DC 變換器有以下優(yōu)點：1. 減少了器件和相關(guān)的控制電路，減少損耗。2. 可以達到高功率密度。3. 容易實

10、現(xiàn)集中控制。4. 降低了系統(tǒng)成本和減小了系統(tǒng)的體積。 圖2.10 多端口DC-DC變換器發(fā)電系統(tǒng)3.1單輸入多輸出典型電路 圖3.1 耦合電感式多路輸出變換器 早期的多路輸出變換器，通常是由多繞組變壓器提供多路輸出，只對其中的一個主要輸出進行閉環(huán)控制，多采用反激式電路，結(jié)構(gòu)簡單、成本低。從70年代末開始，人們逐漸采用圖3.1所示結(jié)構(gòu)，其輸出U02不僅由變壓器調(diào)節(jié)，而且還受到L1、L2 兩個耦合電感影響。也就是說，變壓器和耦合電感共同完成對U02的調(diào)節(jié)。 這種變換器的優(yōu)點主要是對非主要輸出的調(diào)節(jié)有一定的改善，尤其在動態(tài)響應(yīng)速度方面有了較大的提高；缺點主要是由于變壓器與耦合電感的漏感和繞組電阻的存

11、在，除主輸出U01之外的各輸出支路仍存在較大的交叉調(diào)節(jié)誤差。3.2 多輸入單輸出典型電路圖3.2兩輸入電流型全橋DC-DC變換器 它由兩個電流反饋全橋輸入級電路、一個三繞組變壓器、一個共同輸出級電路組成。輸入級的每個開關(guān)都要串聯(lián)一個反向阻斷二極管，這樣可以調(diào)控電流的流向，并且可以阻止來自另一個直流電源的反向功率。該電路拓撲的優(yōu)點：持續(xù)的功率傳遞、電氣隔離和易于實現(xiàn)軟開關(guān)。該電路拓撲的缺點：由于二極管的存在，功率只能實現(xiàn)由電源向負載傳遞。所以該變換器不能實現(xiàn)能量雙向流動的系統(tǒng)中。4單向和雙向變換主要電路 第二部分介紹的DC-DC變換的基本電路均為單向DC-DC變換，即能量只能在一個象限內(nèi)流動，例

12、如非隔離型的BUCK、BOOST、BUCK-BOOST等電路和隔離型的正激、反激、推挽等電路。 所謂雙向DC-DC變換器就是一個DC-DC變換器的雙象限運行，在保持變換器兩端的直流電壓極性不變的情況下，根據(jù)應(yīng)用需要改變電流方向，實現(xiàn)能量雙向流動的DC-DC變換器。如圖4.1所示，雙向DC-DC變換器置于V1和V2之間，控制其能量傳輸。圖4.1 雙向DC-DC變換器原理雙向DC-DC變換器具有以下幾大優(yōu)點：應(yīng)用同一個變換器來控制能量的雙向傳輸，使總體器件數(shù)目減少；可以更加快速地進行兩個方向功率變換的切換，且動態(tài)響應(yīng)快；在低壓大電流場合，一般雙向DC-DC變換器更有可能使用同步整流管，有利于降低通

13、態(tài)損耗。雙向DC-DC變換是典型的“一機兩用”的設(shè)備，在能量需要雙向傳遞的應(yīng)用場合，可以大幅降低系統(tǒng)體積、重量及成本，具有高效率、動態(tài)性能好等優(yōu)勢，具有重要的研究價值。和單向DC-DC變換器一樣，雙向DC-DC變換器也分為隔離和非隔離兩類。4.1 主要非隔離雙向DC-DC變換器1、非隔離的半橋雙向DC-DC變換器 圖4.2非隔離半橋雙向DC-DC變換器 把非隔離的半橋型雙向DC-DC變流器的功率二極管變?yōu)殡p向開關(guān)后具有同樣的結(jié)構(gòu),構(gòu)成非隔離的半橋型雙向DC-DC變流器,其電路如圖4.2所示,這種雙向DC/DC變流器結(jié)構(gòu)簡單,但是如果系統(tǒng)工作在電流連續(xù)模式,則二極管的反向恢復(fù)問題嚴重,電流斷續(xù)則

14、流過開關(guān)管的電流峰值會很大,大功率系統(tǒng)中一般采用多重化結(jié)構(gòu)或采用軟開關(guān)技術(shù)。2、BUCK-BOOST雙向DC-DC變換器 圖4.3 BUCK-BOOST雙向DC-DC變換器 BUCK-BOOST雙向DC-DC變換器電路如圖4.3，其能量經(jīng)過電感LSC存儲和傳遞，不適用于大功率應(yīng)用場合。同半橋雙向DC-DC變換器一樣，可以使電感電流工作斷續(xù)狀態(tài)，但流過開關(guān)管的電流峰值會變大，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單。3、CUK雙向DC-DC變換器 CUK雙向DC-DC變換器電路如圖4.4所示 圖4.4 CUK雙向DC-DC變換器其能量經(jīng)過三次傳遞到負載，其電路不適用于大功率場合應(yīng)用，效率比較低，實際電路應(yīng)用很少。4.2

15、隔離型雙向DC-DC變換電路1、雙全橋BUCK-BOOST雙向DC-DC變換器 圖4.5 雙全橋BUCK-BOOST雙向DC-DC變換器 其電路如圖4.5所示，其相對于全橋變流器，要求功率器件的電流容量大，而且其支撐電容要求比較高，適用于中功率高壓應(yīng)用。2、雙半橋BUCK-BOOST雙向DC-DC變換器 圖4.6雙半橋BUCK-BOOST雙向DC-DC變換器 其電路如圖4.6所示，其相對于全橋變換器，要求功率器件的電流容量大，而且其支撐電容要求比較高，適合于中功率高壓應(yīng)用。3、雙推挽型BUCK-BOOST雙向DC-DC變換器圖4.7雙半橋BUCK-BOOST雙向DC-DC變換器其電路如圖4.7

16、所示,其結(jié)構(gòu)比較簡單,但因為變壓器漏感引起大的開關(guān)電壓尖峰，開關(guān)管工作條件惡劣,適合于中低壓場合應(yīng)用。 雙向DC-DC變換器中,非隔離型的電路比較簡單,容易實現(xiàn),且能滿足低壓,大電流場合應(yīng)用,但是其電壓轉(zhuǎn)換比較低,隔離型雙向DC-DC變流器可以實現(xiàn)大的電壓變比,且能滿足不同功率等級場合,然而在低壓,大電流場合應(yīng)用時,效率低。5 DC-DC變換器主要控制技術(shù)5.1 軟開關(guān)技術(shù) 高頻化是開關(guān)變換技術(shù)的發(fā)展方向之一，隨著各種開關(guān)的工作頻率越來越高，高頻變壓器和濾波器的體積越來越小。但是由于開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗也就越大，電路效率也就越低，并且產(chǎn)生的電磁干擾也越強，軟開關(guān)技術(shù)因此應(yīng)運而生。 最早的軟開

17、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)技術(shù)和準諧振軟開關(guān)技術(shù)。這兩種電路雖然使主開關(guān)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)力比較大。 上世紀90年代提出了ZCS-PWM和ZVS-PWM變換器，就是在基本的ZVS和ZCS中增加一個輔助開關(guān)。這個開關(guān)一方面可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，另一方面可以阻斷諧振過程，讓主功率開關(guān)管按PWM方式工作。 上述各種軟開關(guān)技術(shù)均存在以下不足：開關(guān)管的電流或電壓應(yīng)力大，造成電路損耗增加；環(huán)流較大且工作條件依賴輸入電壓和輸出負載的變化，電路很難在一個很寬

18、的范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關(guān)動作。 為解決以上問題，上世紀90年代相繼提出了零電壓轉(zhuǎn)換（ZVT）和零電流轉(zhuǎn)換（ZCT）。其基本思想就是將輔助諧振網(wǎng)絡(luò)與主開關(guān)管相并聯(lián)，一段很短時間內(nèi)諧振為開關(guān)管創(chuàng)造ZVS或ZCS條件，結(jié)束后回到PWM工作方式。 圖5.1為一種新穎的ZV ZCT PWM變換器，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)Sa和輔助二極管Da 、Dsa和D1 。該電路采用PWM控制，不僅能實現(xiàn)圖5.1一種新型ZVZCT PWM變換器主開關(guān)管的零電壓和零電流開關(guān)，并且能實現(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。 現(xiàn)在的諧振技術(shù)還只適合于開關(guān)器件較少的變換器，其中Z

19、VS和ZCS廣泛應(yīng)用于中功率變換，零轉(zhuǎn)換技術(shù)適宜于大功率電能變換/逆變場合。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，很多時候并達不到預(yù)計的效果，目前還只是集中應(yīng)用較小功率電源中。5.2 同步整流技術(shù) 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，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極電壓同步，因此稱為同步整流。 同步整流技術(shù)誕生于上世紀80年代，多用于BUCK有隔離變換器的各種拓撲。圖5.2所示為同步整流正激變換器，Q2為整流管，Q3為續(xù)流管。當(dāng)變壓器原邊主開關(guān)管Q1導(dǎo)通

20、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，進一步降低了MOSFET的開關(guān)損耗，近年來取得了重大進步，主要有以下幾個方面：（1） 開發(fā)出適用于對稱拓撲（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)與同步整流技術(shù)結(jié)合。檢測同步MOSFET管的開關(guān)狀態(tài)，經(jīng)過DSP運算，得到下一開關(guān)周期實現(xiàn)Z

21、VS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)合拓撲使同步整流效率更佳。圖5.3同步整流正激變換器5.3 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，其基本拓撲如圖5.4.移相PWM常用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。圖5.4 基

22、本移相變換器其主要缺點為：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，增加系統(tǒng)的通態(tài)損耗；存在占空比丟失現(xiàn)象；整流二極管是硬開關(guān)。常用的改進方法是：（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)負載的變化范圍。（3） 利用輸出濾波電感擴大零電壓開關(guān)負載范圍；（4） 在整流管輸出端并聯(lián)有源箝位抑制整流管電壓過沖和振蕩現(xiàn)象。 然而，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)用中的首選拓撲。在變壓器初級串聯(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。具有高效率，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93%以上。5.4 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。例如三相PFC整流電路輸出電壓為700800V，有的甚至高達1000