DC-DC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，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，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
