DC-DC變換器的基本手段和分類(lèi)

　　把直流電壓變換為另一數值的直流電壓最簡(jiǎn)單方法是串聯(lián)一個(gè)電阻，這樣不涉及變頻的問(wèn)題，顯得很簡(jiǎn)單，但是效率低。用一個(gè)半導體功率器件作為開(kāi)關(guān)，使帶有濾波器（L或/和C）的負載線(xiàn)路與直流電壓一會(huì )兒接通，一會(huì )兒斷開(kāi)，則負載上也得到另一個(gè)直流電壓，這就是DC-DC的基本手段，類(lèi)似于“斬波”（Chop）作用。

　　一個(gè)周期T_s內，電子開(kāi)關(guān)接通時(shí)間t_on所占整個(gè)周期T_s的比例，稱(chēng)接通占空比D，D=t_on/T_s；斷開(kāi)時(shí)間t_off所占T_s比例，稱(chēng)斷開(kāi)占空比D’，D’= t_off/T_s。很明顯，接通占空比越大，負載上電壓越高；1/T_s=f_s稱(chēng)開(kāi)關(guān)頻率，f_s越高，負載上電壓也越高。這種DC-DC變換器中的開(kāi)關(guān)都在某一固定頻率下（如幾百千赫茲）工作，這種保持開(kāi)關(guān)頻率恒定，但改變接通時(shí)間長(cháng)短（即脈沖的寬度），使負載變化時(shí)，負載上電壓變化不大的方法，稱(chēng)脈寬調制法（Pulse Width Modulation,簡(jiǎn)稱(chēng)為PWM）。由于電子開(kāi)關(guān)按外加控制脈沖而通斷，控制與本身流過(guò)的電流、二端所加的電壓無(wú)關(guān)，因此電子開(kāi)關(guān)稱(chēng)為“硬開(kāi)關(guān)”。很明顯，由于硬開(kāi)關(guān)關(guān)斷和開(kāi)通時(shí)，開(kāi)關(guān)上同時(shí)存在電壓、電流，損耗是比較大的，但無(wú)論如何比串聯(lián)電阻變換方法損耗小得多。這就是開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)之一。

　　凡用脈寬調制方式控制電子開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)變換器，稱(chēng)為PWM開(kāi)關(guān)變換器。它是以使用“硬開(kāi)關(guān)”為主要特征的。

　　另一類(lèi)稱(chēng)之為軟開(kāi)關(guān)。凡用控制方法使電子開(kāi)關(guān)在其兩端電壓為零時(shí)導通電流，或使流過(guò)電子開(kāi)關(guān)電流為零時(shí)關(guān)斷，此開(kāi)關(guān)稱(chēng)為軟開(kāi)關(guān)。軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)通、關(guān)斷損耗理想值為零。由于損耗小，開(kāi)關(guān)頻率可提高到兆赫級，開(kāi)關(guān)電源體積、重量顯著(zhù)減少。

　　可用諧振（Resonance）的方法使電子開(kāi)關(guān)上電壓或電流為零，諧振分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振。在開(kāi)關(guān)電源電路中加的電壓是直流電壓，直流電壓加在串聯(lián)的LC時(shí)，電路中電流按正弦規律無(wú)阻尼振蕩，其頻率即電路的諧振頻率，或稱(chēng)振蕩頻率。利用諧振現象，電子開(kāi)關(guān)器件兩端電壓按正弦規律振蕩，當振蕩到零時(shí)，使電子開(kāi)關(guān)導通，流過(guò)電流，此法稱(chēng)零電壓開(kāi)通（Zero Voltage Switching 簡(jiǎn)稱(chēng)ZVS）。同理，當流過(guò)電子開(kāi)關(guān)器件的電流振蕩到零時(shí)，使電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，此法稱(chēng)為零電流關(guān)斷（Zero Current Switching 簡(jiǎn)稱(chēng)ZCS）。

　　利用諧振現象，使電子開(kāi)關(guān)器件上電壓或電流按正弦規律變化，以創(chuàng )造零電壓開(kāi)通或零電流關(guān)斷的條件，以這種技術(shù)為主導的變換器稱(chēng)諧振變換器，它有串聯(lián)和并聯(lián)諧振變換器兩種。如果在橋式變換器（用諧振式方法控制）橋的輸出端為串聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò )，再接變壓器原邊繞組（包括帶副邊整流電路），稱(chēng)為串聯(lián)諧振變換器。在橋式變換器串聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò )的電容兩端并聯(lián)變壓器原邊繞組（包括帶副邊整流電路），稱(chēng)為并聯(lián)諧振變換器。

　　由于正向和反向LC回路值不一樣，即振蕩頻率不同，電流幅值也不同，所以振蕩不對稱(chēng)。一般正向正弦半波大于負向正弦半波，所以常稱(chēng)為準諧振。無(wú)論是串聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò )，或并聯(lián)的LC網(wǎng)絡(luò )都會(huì )產(chǎn)生準諧振。

　　利用準諧振現象，使電子開(kāi)關(guān)器件上的電壓或電流按正弦規律變化，從而創(chuàng )造了零電壓或零電流的條件，以這種技術(shù)為主導的變換器稱(chēng)為準諧振變換器。在單端、半橋或全橋變換器中，利用寄生電感和電容（如變壓器漏感，半導體功率管或整流管的結電容）或外加諧振電感和電容，可得到相應的準諧振變換器。

　　諧振回路、參數可以超過(guò)兩個(gè)，例如三個(gè)或更多，稱(chēng)為多諧振變換器。

　　為保持輸出電壓不隨輸入電壓變化而變化，不隨負載變化而變化（或基本不變），諧振、準諧振和多諧振變換器主要靠調整開(kāi)關(guān)頻率，所以是調頻系統。{{分頁(yè)}}

　　調頻系統不如PWM開(kāi)關(guān)那樣易控，加上諧振、準諧振、多諧振電路諧振電壓（或電流）峰值高，開(kāi)關(guān)受的應力大，因此這幾年熱門(mén)的研究課題是零開(kāi)關(guān)-PWM變換器和零轉換-PWM變換器。

　　零開(kāi)關(guān)-PWM變換器是指在準諧振變換器中，增加一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)控制的電路，使變換器一周期內，一部分時(shí)間按ZCS或ZVS準諧振變換器工作，另一部分時(shí)間按PWM變換器工作。前者稱(chēng)ZCS-PWM變換器，后者稱(chēng)為ZVS-PWM變換器。這樣，變換器既有電壓過(guò)零（或電流過(guò)零）控制的軟開(kāi)關(guān)特點(diǎn)，又有PWM恒頻調寬的特點(diǎn)。這時(shí)諧振網(wǎng)絡(luò )中的電感是與主開(kāi)關(guān)串聯(lián)的。

　　零轉換-PWM變換器與零開(kāi)關(guān)-PWM變換器并無(wú)本質(zhì)上的差別，也是軟開(kāi)關(guān)與PWM的結合，只不過(guò)諧振網(wǎng)絡(luò )是與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)的。

　　從上面所述，DC-DC可分成PWM式、諧振式和它們的結合式。每一種方式中從輸入與輸出之間是否有變壓器隔離，可以分成有隔離、無(wú)隔離兩類(lèi)。每一類(lèi)中又有六種拓撲：Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic和Zeta。由此可見(jiàn)DC-DC基本電路就不勝其數了。多數電路都具有個(gè)性，有典型應用價(jià)值，也有的電路并無(wú)實(shí)用價(jià)值。

　　以上是從電路拓撲來(lái)分類(lèi)，還有從其他角度、特征來(lái)分類(lèi)的。例如，若按激勵形式不同，可分為自激式和他激式兩種。

　　自激式包括單管式變換器和推挽式變換器兩種。他激式包括調頻、調寬、調幅、諧振等幾種。目前應用較廣的是調寬型（PWM），它包括正激式、反激式、半橋式和全橋式。諧振式中有串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振、串并聯(lián)諧振等線(xiàn)路；按諧振式的開(kāi)關(guān)什么時(shí)候接通來(lái)分，又可分為零電流開(kāi)關(guān)和零電壓開(kāi)關(guān)等。

　　若按控制信號的隔離方法，則可分為直流式、光電耦合式、變壓器式、磁放大器式等。有些線(xiàn)路通過(guò)電子器件完成電壓-頻率，或者頻率-電壓的轉換工作之后，用變壓器與控制信號隔離。

　　根據電感電流是否連續，DC-DC變換器有兩種工作模式。一種是連續導電模式（CCM，Continuous Conduction Mode），DC-DC在重載下通常工作于這種模式；另一種是不連續導電模式（DCM，Discontinuous Conduction Mode），DC-DC變換器在輕載下工作于這種模式。