應用非隔離直流-直流轉換器設計提高轉換效率

1． 元件選擇

用一組損耗特性適合用于轉換器的元件對四個(gè)電路進(jìn)行仿真，轉換器的輸出為2A 24Vdc，輸入范圍是18到44Vdc。這些參數與現有的電流和電壓表達式一起輸入到數據表中，然后畫(huà)出結果曲線(xiàn)進(jìn)行比較，工作頻率為100kHz。在有兩個(gè)開(kāi)關(guān)S1和S2的情況下，接地開(kāi)關(guān)是一個(gè)N溝道FET，而上面的開(kāi)關(guān)是一個(gè)P溝道FET，二極管是肖特基型，設正向電壓為0.6V。電感為150μH 4A，內阻是0.1Ω，電容為高質(zhì)量、低阻抗類(lèi)型，其損耗經(jīng)過(guò)計算表明可以忽略。對FET的開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)行估計，假設開(kāi)關(guān)時(shí)間是100ns，忽略二極管的開(kāi)關(guān)損耗，控制電路的損耗假設也是可以忽略的。

FET的特性如下：

P-溝道：

ON Semi MTD5P06V，RDS(on)=0.45ΩN-溝道：

ON Semi NTD15N06，RDS(on)=0.09Ω

電感值選為150μH，這樣電感和其它元件中的紋波電流大約為20%，可以無(wú)須顧慮電流波形擺動(dòng)而將其看作平頂電流脈沖。

2．損耗計算

我們?yōu)樗膫€(gè)電路設計了一個(gè)電子表格，設定輸出電壓為24V，電流為2A，然后將輸入電壓以2V間隔遞增計算其性能。在SEPIC和圖1d(D1=D2)中，因為傳遞函數(Vout/Vin)在電壓低于或高于輸出電壓時(shí)是一樣的，所以過(guò)程可以簡(jiǎn)化。而另外兩個(gè)電路則要取決于輸入是小于還是大于輸出而采用不同的函數。

因為FET中的導通損耗是電阻性的，所以要計算導通電流，并進(jìn)行平方然后乘以電阻，最后乘以導通占空比(D)算出開(kāi)關(guān)周期中的平均損耗。圖1a到圖1d下面的傳遞函數用于確定每個(gè)元件的工作條件(以仔細分析每個(gè)電路的工作細節)。

電路性能

圖2顯示了四個(gè)電路的性能特性，請注意兩個(gè)雙模電路表現出的優(yōu)異性能，特別是當輸入電壓幾乎等于輸出電壓(24V)時(shí)它們的效率。SEPIC效率相當高，而且輸入接近輸出電壓時(shí)也是如此。當輸入電壓增加時(shí)，它的效率更高，因為輸入電流降低了。應注意開(kāi)關(guān)同時(shí)驅動(dòng)(D1=D2)的降壓+升壓電路效率較差。圖3是相同的數據，但是沒(méi)有第四個(gè)電路，所以垂直坐標可以放大，以便更詳細地比較前三個(gè)電路。

注意當輸入電壓低于或高于輸出電壓時(shí)，升壓+降壓雙模轉換器的效率更高，這是因為平滑的輸入電流和輸出電流降低了元件的應力。盡管中間電容受紋波電流的影響，但如今有了低阻抗電解電容，它的影響可以不用考慮。

本文結論

對四個(gè)電路性能進(jìn)行建模，可得出降壓+升壓雙模轉換器樣機實(shí)驗室測試數據。數據表明該電路在輸入電壓接近輸出電壓時(shí)有優(yōu)異的性能，而升壓+降壓雙模轉換器在更廣的輸入電壓范圍具有很好的性能，比較而言SEPIC電路較簡(jiǎn)單，但效率不太高，兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)驅動(dòng)的降壓+升壓電路容易控制(但是不如SEPIC簡(jiǎn)單)，不過(guò)效率也比較低。