发布时间 : 星期四 文章DC-DC变换基本电路和控制方法综述更新完毕开始阅读8609a15e2b160b4e767fcf6c
图4.4 CUK双向DC-DC变换器 其能量经过三次传递到负载，其电路不适用于大功率场合应用，效率比较低，实际电路应用很少。
4.2 隔离型双向DC-DC变换电路
1、双全桥BUCK-BOOST双向DC-DC变换器
图4.5 双全桥BUCK-BOOST双向DC-DC变换器 其电路如图4.5所示，其相对于全桥变流器，要求功率器件的电流容量大，而且其支撑电容要求比较高，适用于中功率高压应用。
2、双半桥BUCK-BOOST双向DC-DC变换器
图4.6双半桥BUCK-BOOST双向DC-DC变换器 其电路如图4.6所示，其相对于全桥变换器，要求功率器件的电流容量大，而且其支撑电容要求比较高，适合于中功率高压应用。 3、双推挽型BUCK-BOOST双向DC-DC变换器
图4.7双半桥BUCK-BOOST双向DC-DC变换器
其电路如图4.7所示,其结构比较简单,但因
为变压器漏感引起大的开关电压尖峰，开关管工作条件恶劣,适合于中低压场合应用。 双向DC-DC变换器中,非隔离型的电路比较简单,容易实现,且能满足低压,大电流场合应用,但是其电压转换比较低,隔离型双向DC-DC变流器可以实现大的电压变比,且能满足不同功率等级场合,然而在低压,大电流场合应用时,效率低。 5 DC-DC变换器主要控制技术
5.1 软开关技术
高频化是开关变换技术的发展方向之一，随着各种开关的工作频率越来越高，高频变压器和滤波器的体积越来越小。但是由于开关频率越高，开关损耗也就越大，电路效率也就越低，并且产生的电磁干扰也越强，软开关技术因此应运而生。
最早的软开关技术是在电路中增加有源或无源的缓冲电路，其后出现了谐振软开关技术和准谐振软开关技术。这两种电路虽然使主开关在零电压或零电流下导通和关断，但需要采用频率调制技术，给实际应用造成较大不便，并且开关管的电流或电压应力比较大。
上世纪90年代提出了ZCS-PWM和ZVS-PWM变换器，就是在基本的ZVS和ZCS中增加一个辅助开关。这个开关一方面可以通过谐振为主功率开关管创造零电压或零电流开关的条件，另一方面可以阻断谐振过程，让主功率开关管按PWM方式工作。
上述各种软开关技术均存在以下不足：开关管的电流或电压应力大，造成电路损耗增加；环流较大且工作条件依赖输入电压和输出负载的变化，电路很难在一个很宽的范围内实现软开关动作。 为解决以上问题，上世纪90年代相继提出了零电压转换（ZVT）和零电流转换（ZCT）。其基本思想就是将辅助谐振网络与主开关管相并联，一段很短时间内谐振为开关管创造ZVS或ZCS条件，结束后回到PWM工作方
式。 图5.1为一种新颖的ZV ZCT PWM变换器，该软开关单元包括谐振电容Cr1、Cr2 ，谐振电感Lr,辅助开关Sa和辅助二极管Da 、Dsa和D1 。该电路采用PWM控制，不仅能实现
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图5.1一种新型ZVZCT PWM变换器
主开关管的零电压和零电流开关，并且能实现副边续流二极管的零电流、零电压关断和零电压导通。
现在的谐振技术还只适合于开关器件较少的变换器，其中ZVS和ZCS广泛应用于中功率变换，零转换技术适宜于大功率电能变换/逆变场合。另外，任何软开关技术都有其不足之处，软开关技术控制复杂，很多时候并达不到预计的效果，目前还只是集中应用较小功率电源中。 5.2 同步整流技术
在输出低电压和大电流的情况下，普通二极管显然已经不能满足高效和高功率密度的要求，MOSFET的导通电阻小、通态压降低、反向电流小，可以大大降低电路损耗。因为MOSFET的门极控制电压要求与漏极电压同步，因此称为同步整流。
同步整流技术诞生于上世纪80年代，多用于BUCK有隔离变换器的各种拓扑。图5.2所示为同步整流正激变换器，Q2为整流管，Q3为续流管。当变压器原边主开关管Q1导通时，副边电流流过Q2的体二极管，使Vgs3=0，Q3截止，Vgs3=V2 ,Q2导通；反之，当主开关管Q1截止时，Q2截止，Q3续流。由于功率MOSFET的寄生电容与开关电容损耗并存，特别是在高频时，门极驱动损耗可
能较大，现在的同步整流技术都在努力实现ZVS、ZCS方式的同步整流，并将有源箝位技术与之结合，进一步降低了MOSFET的开关损耗，近年来取得了重大进步，主要有以下几个方面：
（1） 开发出适用于对称拓扑（推挽、
半桥和全桥）的ZVS、ZCS同步整流电路，将最高效率提高到了95%；
（2） 将数字技术与同步整流技术结
合。检测同步MOSFET管的开关状态，经过DSP运算，得到下一开关周期实现ZVS的最佳开关时间，突破性地做出了正激ZVS同步整流电路；
（3） 使用复合拓扑使同步整流效率更
佳。
图5.3同步整流正激变换器
5.3 移相PWM技术
移相PWM控制技术是近几年广泛应用于中大功率全桥变换电路中的一种技术，这种技术实际上是谐振技术与PWM技术的结合，其基本拓扑如图5.4.移相PWM常用控制方式有双极性控制方式、移相控制方式、有限双极性控制方式。其中移相控制方式的基本原理是：同一桥臂的开关管互补工作，两个桥臂间的导通差一个相位（移相角），通过调节移相角的大小来调节输出电压的脉冲宽度，从而调节输出电压的大小，利用开关管的结电容和变压器的漏感实现四个开关管的零电压导通和关断。
图5.4 基本移相变换器
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其主要缺点为：滞后臂开关管在轻载下将失去零电压开关功能；原边有较大环流，增加系统的通态损耗；存在占空比丢失现象；整流二极管是硬开关。 常用的改进方法是：
（1） 在变压器初级串联饱和电感，减
小占空比丢失；
（2） 利用变压器的励磁电感扩大零电
压开关负载的变化范围。
（3） 利用输出滤波电感扩大零电压开
关负载范围；
（4） 在整流管输出端并联有源箝位抑
制整流管电压过冲和振荡现象。
然而，以上方法要么以增加一个大的谐振电感为代价，要么存在占空比丢失的现象，要么二次侧的同步整流控制复杂等，都有各自不足。其中移相控制全桥ZVZCS PWM变换器将ZVS和ZCS同时引入到全桥PWM电路中，是中大功率应用中的首选拓扑。在变压器初级串联隔直电容及饱和电感作为反向阻断电压源，来复位初级电流。具有高效率，功率开关器件电压和电流应力较小，可以在输入电压和输出负载变换较宽的范围内实现软开关，功率变压器利用率高等明显的优点。将其应用于通信电源，效率可达93%以上。 5.4 多电平技术
多电平电路泛指输出量具有多个电平的电路，在高压大功率领域，多电平比传统的两电平电路有很多优势。例如三相PFC整流电路输出电压为700—800V，有的甚至高达1000V，因此功率管（MOSFET）的电压应力较高，造成MOSFET因导通内阻剧增使电流容量降低，采用多电平技术可有效降低开关管的电压应力。 近几年，各种三电平软开关电路拓扑结构相继提出。如图5.5所示，是一种零电压零电流（ZVZCS）三电平直流变换器。该变换器采用移相控制，在主端通过一个飞跨电容使外管获得ZVS，采用一个副边的辅助开关电路实现内管的ZCS。克服了ZVS三电平变换器高环流增量、整流二极管的寄生振荡和软开关条件与负载及输入有关的缺点，开关管电压应力仅为输入
图5.5 移相控制ZVZCS三电平变换器 电压的一半，但是不足之处是结构略显复
杂。
目前，DC-DC变换器的多电平技术仍处于研究阶段，由于多电平电路开关数目多，工作模态复杂，统一建模有一定的困难。如何降低多电平电路的复杂程度，得到简单高效的变换器拓扑，找出有效的多电平技术建模方法和控制策略是多电平电路用于中低功率变换急需解决的问题。6 总结
半导体器件是电力电子技术发展的主
要推动力，DC-DC变换器今后总的发展方向是高功率密度、高效率、高性能、高可靠性。一般来说：在低功率变换器中，采用软开关技术减小功率管的应力，增加开关频率，从而减小整机体积，低电压输出时可采用同步整流技术提高转换效率；在高功率变换器中，尽量简化电路拓扑，舍去诸如附加谐振电路，采用高性能硬开关减少电路的复杂度从而降低成本。
直流变换同电力电子技术一样，存在元件、电路和系统三个级别。但在近20年的发展中，变换器电路和拓扑已经受到过多关注，已经走到了成熟期，除了在高功率领域外显现出停滞的现象。如何将直流变换技术提高到一个系统级别上来，是今后需要解决的核心技术。未来变换器应朝综合、系统的方向发展，特别是整合功率IC、模拟IC和数字IC的功率集成器件将具有很好的发展前景。
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