DC-DC变换器主要技术的发展综述

1DC-DC变换器主要技术的发展综述王学梅，张波,丘东元（华南理工大学电力学院，广东省广州市510640）ReviewontheDevelopmentofDC-DCConvertersWangXuemeiZhangBoQiuDongyuanSouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,510640,China摘要：近二十年来，随着功率开关器件的发展，DC-DC变换器的拓扑和变换技术取得了很大的成就。本文对DC-DC变换器中的主要技术软开关、同步整流、移相PWM技术和多电平技术的发展与现状进行了综述，并讨论了变换器未来的发展趋势。关键词：PWM软开关同步整流多电平AbstractDC-DCconverterstopologiesandtechniqueshavemadeagreatachievementalongwiththepowerdevicesdevelopmentintherecenttwentyyears.ThispaperreviewsthemaintechniquesofDC-DCconverters,whicharesoftswitchingtechnique,synchronousrectification,shift-phasePWMandmulti-leveltechnique.Atlast,thetrendsandfutureoftheDC-DCconvertershavebeendiscussed.KeywordsSoftswitching,Synchronousrectification,Shift-phasePWM,Multi-level1引言DC-DC变换器是将不可调的直流电压转变为可调或固定直流电压，是一个用开关调节方式控制电能的变换电路，这种技术被广泛应用于各种开关电源、直流调速、燃料电池、太阳能供电和分布式电源系统中。上个世纪，随着功率开关器件的发展，变换器拓扑和变换技术已经取得了很大的成就，并且已经发展到一个相当高的水平[1-3]。在DC-DC变换器演化过程中，离不开各种直流变换技术，各种新技术的产生和发展很大程度上影响了变换器拓扑的演化。等式(1)常用来衡量变换器的优劣[4]，高功率密度、高效率、高性能、高可靠性以及低成本小体积是DC-DC变换器的发展方向，各种变换技术也都围绕着提高变换器性能而相继被提出。消耗功率成本体积性能价值＝(1)本文对软开关、同步整流、移相PWM技术、多电平技术的发展和现状进行了综述，并展望了直流变换器的未来的发展趋势。2软开关技术高频化是开关变换技术的重要发展方向之一。大功率场效应管(MOS管)和功率绝缘栅晶体管(IGBT管)的应用，使高频开关电源工作频率越来越高，高频变压器和滤波器体积越小，变换器体积越小，从而提高开关器件的功率密度。但由于器件开关损耗与开关频率成正比，频率越高，开关损耗越大，电路效率也越低，此外，开关频率越高，电路中的di/dt和dv/dt越高，电路所产生的电磁干扰(EMI)也越强，影响控制和驱动的稳定性，因此必须设法减小开关损耗，软开关技术因此孕育而生。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变换器，包括传统的串联谐振(SRC)和并联谐振(PRC)，以及准谐振变换器(QRC)和多谐振变换器(MRC)。准谐振变换器出现在上世纪80年代中期，包括零电流开关准谐振(ZCSQRC)和零电压开关准谐振(ZVSQRC)。这两种电路虽然使主开关管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较大[6]。为了消除因频率调制而造成的不足，IvoBarbi在上世纪90年代提出了ZCS-PWM和ZVS-PWM变换器。ZVS-PWM和ZCS-PWM变换器是PWM2电路与QRCs的结合，在基本的ZVS和ZCS中增加了一个辅助开关。这个辅助开关一方面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，一方面可以阻断谐振过程，在这段时间中让主功率开关管按PWM方式工作。因此，ZCS-PWM和ZVS-PWM变换器既有软开关的特点，又有PWM恒频占空比调节的特点[7]。但上述各种软开关变换器均存在以下不足：开关管的电流或电压应力大，造成电路损耗的增加，部分抵消了开关损耗的降低；谐振电感和电容由于应力增大而造成体积的增大；由于谐振电感串联在主功率回路中存在很大环流而增加电路的整体损耗，且软开关的工作条件极大地依赖于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。为了解决以上问题，G.C.Hua在上世纪90年代相继提出了零电压转换(ZVT)和零电流转换(ZCT)的概念[8-9]。其基本思想是将辅助谐振网络从主功率通路中移开，与主功率开关管相并联。在主功率器件变换的一段很短的时间间隔内，使辅助谐振网络工作，为主功率开关管创造ZVS或ZCS条件；转换过程结束后，电路返回常规PWM工作方式，这样环流能量相对于谐振电路保持在较小的数值，且软开关条件与输入电压和输出负载的变化无关。现在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(大于100kW)电能变换/逆变场合。在新型软开关拓扑中，文献[10]提出了一种新颖的ZVZCTPWM变换器，如图1所示。该软开关单元包括谐振电容Cr1、Cr2，谐振电感Lr,辅助开关管Sa和辅助二极管Ds，Dsa和D1。该电路采用PWM控制，不仅能实现主开关管的零电压和零电流开关，并且能实现辅助开关管的零电流导通和零电压零电流关断，同时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。但电路略显复杂，且主开关管瞬时电流峰值较高，二极管D的开通电流有较大幅度振荡。值得注意的是，软开关变换器的性能依赖于所用的功率开关器件，如MOSFET有高的开关速度和较大的寄生电容，容易产生开通损耗，因此易采用零电压开通方式；IGBT由于关断时的电流拖尾会产生较大的关断损耗，易采用零电流关断方式。不同器件的动态性能不同，同一个电路因使用不同的开关器件性能会有所不同，同一个器件应用于不同的拓扑性能也将有很大不同，在选择软开关拓扑时要综合考虑各种因素。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在较小功率电源中。Cr2D1LrDsaSaSDsCr1DCr2D1LrDsaSaSDsDLfCfVinVoR(a)ZVZCT基本开关单元(b)ZVZCTBuck原理图图1一种新型的ZVZCTPWM变换器Fig1.AnewZVZCTPWMconverter3同步整流随着通信和计算机等IT产品功能不断加强，所含元件及功耗骤增，只能降低其工作电压，采用低压大电流的功率变换器。到2005年，PC机电源已降至1.2～0.9V，2010年有望降至1.0～0.6V。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。虽然肖特基二极管(SBD)的正向压降可以降到0.3V以下，但对于5V以下的低电压大电流DC-DC变换器，仍是损耗的主要来源之一。用低压功率MOSFET工作在第三象限构成的整流电路因为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源极电压同步，因此称为同步整流。目前可用于同步整流的功率MOSFET的最低导通电阻为3-4.5mΩ，如果输出电流为10A，其正向导通压降仅为0.33～0.045V；如果输出电流为50A，其正向导通压降仅为0.15～0.225V，从而可以满足低电压大电流功率变换器的高效率的需要。同步整流技术诞生于上世纪80年代，多用于Buck族有隔离变换器的各种拓扑[11-12]。图2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3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[13]：(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)将数字技术结合到同步整流技术中。采取检测同步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。VoQ3Vgs3Vgs2Q2Q1Vgs1D1Vin●●●图2同步整流正激变换器Fig2.Synchronousrectificationforwardconverter4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，其基本拓扑见图3。移相PWM常用的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。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，增加了系统的通态损耗；存在占空比丢失现象；整流二极管仍然是硬开关。图3基本移相FB-ZVS-PWM变换器Fig3.Thebasicshift-phaseFB-ZVS-PWMconverters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的负载范围；(4)在整流管输出端并联有源钳位抑制整流管电压过冲和振荡现象。但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，都有各自的不足。其中移相控制全桥ZVZCSPWM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。具有效率高，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，效率可达到93％以上[14]。5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整流电路的输出电压为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。多电平电路设计的初衷是采用多个电平拼接成输出电压，从而有效降低输出波形中的谐波含量，减小输出无源滤波器的体积和重量，提高系统的动态性能，最早应用于具有中点箝位结构的电压源逆变电路(NPC-INC)。1980年，A.Narbal出了三电平直流变换器[15]，该变换器实质就是中点钳位逆变器(NPC-INV)的一个桥臂。1992年，Pinheiro和Barbi提出了零电压开关三电平直流变换器[16]，将软开关引入了三电平直流变换拓扑中。该电路最大优点是开关管的电压应力仅为输入直流电压的一半，非常适合于输入电压高、输出功率大的应用场合。利用变压器输出电感和漏感与开关管的结电容，外开关管很容易实现ZVS，依靠变压器漏感实现ZVS的内管，在轻载ZVS就可能失效。近几年，各种三电平软开关电路拓扑结构相继提出。F.Canales提出了零电压零电流开关(ZVZCS)三电平直流变换器[17]，如图4所示。该变换器采