DC-DC变换基本电路和控制方法综述

1文章编号：DC-DC变换基本电路和控制方法综述作者（江南大学物联网工程学院，江苏省无锡市214122）摘要：近20年来，随着科学技术日新月异的发展，特别是功率开关器件的发展，DC-DC变换的拓扑结构和控制技术取得了很大的成就。本文主要是对当前DC-DC变换电路——隔离型和非隔离型、两端口和多端口、单向变换和双向变换和控制方法——软开关、移相PWM、同步整流、多电平技术的发展与现状进行综述，并讨论了DC-DC变换器未来发展趋势。关键词：基本电路;控制方法；隔离型；双向；同步整流中图分类号：文献标识码：1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的直流电压，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。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。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。本文围绕着DC-DC变换的基本电路——隔离型和非隔离型、单端口和多端口、单向变换和双向变换以及控制方法——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综述，并展望直流变换器未来的发展趋势。2隔离型和非隔离型主要电路2.1非隔离型主要电路DC-DC非隔离型主要电路包括BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK等电路。2.1.1降压型BUCK电路降压型BUCK电路如下图2.1所示。工作原理为：当开关晶体管导通时，二极管关断，输入端直流电源Vi将功率传送到负载，图2.1降压型BUCK电路拓扑并使电感储能；当开关晶体管关断时，二极管导通，续流，电感向负载释放能量。根据原理和电路拓扑可以推导出变换器的输出-输入电压比：Vo/Vi=D占空比D总是小于1，所以BUCK变换器是一种降压变换器。2.1.2升压型BOOST电路图2.2升压型BOOST电路拓扑如图2.2，主电路由串联在回路中的储能电感L，开关管及整流二极管，滤波电容组成，它是一种可以获得输出电压高于输入电压的DC-DC变换器。升压变换器与降压变换器不同之处在于：只有在开关管截止期间，才有向输出整流滤波电容的充电电流。开关2管导通期间由储能滤波电容向负载提供电流。2.1.3升降压型BUCK-BOOST技术图2.3升降压型BUCK-BOOST电路拓扑如图2.3所示，极性反转型（BUCK-BOOST）变换器主电路所用元器件与BUCK、BOOST变换器相同。这种电路具有BUCK变换器降压和BOOST变换器升压的双重作用，升压还是降压取决于PWM驱动脉冲的占空比D。虽然输出与输出共用一个连接端，但输出电压的极性与输入电压是相反的，故称为反极性变换器。2.1.4CUK电路拓扑图2.4CUK电路拓扑CUK变换器又叫BOOST-BUCK串联变换器，它是针对BUCK-BOOST升降压变换器存在输入电流和输出电流脉动值大的缺点而提出的一种非隔离型单管DC-DC升降压反极性变换器，具有升降压功能。就其工作方式而言，CUK变换器也有电流连续、断续和临界连续三种工作方式。2.2隔离型主要电路在实际应用中，基于电压等级的变换，安全，隔离，系统串、并联等原因，开关电源的输入与输出之间往往需要电气隔离，这时可在非隔离型的DC-DC变换电路中加入高频变压器，就可以得到隔离型DC-DC变换器。按照工作时对变压器铁芯的不同励磁方式，隔离型DC-DC变换器可分为两种基本类型——单向励磁方式和双向励磁方式。单向励磁方式包括单端正激型变换器、单端反激型变换器等；双向励磁方式包括推挽型变换器、半桥型变换器、全桥型变换器等。2.2.1单端正激型变换器电路图2.5单端正激型变换器电路拓扑图2.5即是单端正激型DC-DC变换器的电路拓扑，工作原理：S导通时，副边D1通，D2断，L储能，ul=N2Ud/N1-U0,il上升。S关断时，通过D2续流，il线性下降，ul=-U0，进入稳态后，电感电压在一个周期内的积分为零。整理得：U0/Ud=N2D/N1=D/N,式中N=N1/N2。缺点：S容易击穿，变压器存在直流分量，容易饱和。2.2.2单端反激变换器电路图2.6单端反激变换器电路拓扑工作原理：S导通时，由于变压器副边感应的使D反偏截止，变压器原边绕组储能，C为负载提供能量。S截止时，变压器次级绕组向负载释放能量。数量关系：（输出电流连续CCM时）U0/Ud=D/N(1-D)式中N=N1/N2缺点：S容易击穿；变压器存在直流分量，容易饱和。2.2.3推挽式变换器电路图2.7推挽式变换器电路拓扑3电路结构：如图2.7特点：S1、S2交替导通，不能同时导通，每个开关的占空比不能超过50%。数据关系：U0/Ud=2D/N,N=N1/N2耐压（较高）：S1通、S2断时，US2=2Ud；S2通，S1断，US1=2Ud。优点：因S1、S2共地，驱动电路简单。2.2.4半桥型变换器电路图2.8半桥型变换器电路拓扑电路结构：如图2.8特点：通过电容器C1、C2建立电压中点，S1、S2交替闭合，闭合的时间均为tON,不能同时导通。数据关系：U0/Ud=D/N,N=N1/N2耐压：Ud缺点：因S1、S2不共地，驱动电路需要隔离。2.2.5全桥型变换器电路图2.9全桥型变换器电路拓扑电路结构：如图2.9特点：隔离变压器原边的全桥中开关元件成对动作，S1、S4为一组，S2、S3为另一组。两开关对交替工作，且闭合时间均为tON。数据关系：U0/Ud=2D/N，N=N1/N2优点：输出功率最大。缺点：需要4个开关器件，需要4批彼此绝缘的驱动电路，电路最复杂。3两端口和多端口主要电路上面介绍的隔离型和非隔离型DC-DC变换器基本电路为单输入单输出结构，例如基本的BUCK、BOOST、BUCK-BOOST等电路。将几个不同功率源的独立DC-DC变换器用一个多端口变换器来代替如图2.10所示，将几个独立的DC-DC变换器整合成一个集成多端口DC-DC变换器有以下优点：1.减少了器件和相关的控制电路，减少损耗。2.可以达到高功率密度。3.容易实现集中控制。4.降低了系统成本和减小了系统的体积。图2.10多端口DC-DC变换器发电系统3.1单输入多输出典型电路图3.1耦合电感式多路输出变换器早期的多路输出变换器，通常是由多绕组变压器提供多路输出，只对其中的一个主要输出进行闭环控制，多采用反激式电路，结构简单、成本低。从70年代末开始，人们逐渐采用图3.1所示结构，其输出U02不仅由变压器调节，而且还受到L1、L2两个耦合电感影响。也就是说，变压器和耦合电感共同完成对U02的调节。这种变换器的优点主要是对非主要输出的调节有一定的改善，尤其在动态响应速度方面有了较大的提高；缺点主要是由于变压器与耦合电感的漏感和绕组电阻的存在，除主输出U01之外的各输出支路仍存在较大的交叉调节误差。3.2多输入单输出典型电路4图3.2两输入电流型全桥DC-DC变换器它由两个电流反馈全桥输入级电路、一个三绕组变压器、一个共同输出级电路组成。输入级的每个开关都要串联一个反向阻断二极管，这样可以调控电流的流向，并且可以阻止来自另一个直流电源的反向功率。该电路拓扑的优点：持续的功率传递、电气隔离和易于实现软开关。该电路拓扑的缺点：由于二极管的存在，功率只能实现由电源向负载传递。所以该变换器不能实现能量双向流动的系统中。4单向和双向变换主要电路第二部分介绍的DC-DC变换的基本电路均为单向DC-DC变换，即能量只能在一个象限内流动，例如非隔离型的BUCK、BOOST、BUCK-BOOST等电路和隔离型的正激、反激、推挽等电路。所谓双向DC-DC变换器就是一个DC-DC变换器的双象限运行，在保持变换器两端的直流电压极性不变的情况下，根据应用需要改变电流方向，实现能量双向流动的DC-DC变换器。如图4.1所示，双向DC-DC变换器置于V1和V2之间，控制其能量传输。图4.1双向DC-DC变换器原理双向DC-DC变换器具有以下几大优点：应用同一个变换器来控制能量的双向传输，使总体器件数目减少；可以更加快速地进行两个方向功率变换的切换，且动态响应快；在低压大电流场合，一般双向DC-DC变换器更有可能使用同步整流管，有利于降低通态损耗。双向DC-DC变换是典型的“一机两用”的设备，在能量需要双向传递的应用场合，可以大幅降低系统体积、重量及成本，具有高效率、动态性能好等优势，具有重要的研究价值。和单向DC-DC变换器一样，双向DC-DC变换器也分为隔离和非隔离两类。4.1主要非隔离双向DC-DC变换器1、非隔离的半桥双向DC-DC变换器图4.2非隔离半桥双向DC-DC变换器把非隔离的半桥型双向DC-DC变流器的功率二极管变为双向开关后具有同样的结构,构成非隔离的半桥型双向DC-DC变流器,其电路如图4.2所示,这种双向DC/DC变流器结构简单,但是如果系统工作在电流连续模式,则二极管的反向恢复问题严重,电流断续则流过开关管的电流峰值会很大,大功率系统中一般采用多重化结构或采用软开关技术。2、BUCK-BOOST双向DC-DC变换器图4.3BUCK-BOOST双向DC-DC变换器BUCK-BOOST双向DC-DC变换器电路如图4.3，其能量经过电感LSC存储和传递，不适用于大功率应用场合。同半桥双向DC-DC变换器一样，可以使电感电流工作断续状态，但流过开关管的电流峰值会变大，优点是结构简单。3、CUK双向DC-DC变换器CUK双向DC-DC变换器电路如图4.4所示5图4.4CUK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。5DC-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