DC-DC變換器的基本手段和分類

　　把直流電壓變換為另一數(shù)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(dǎo)體功率器件作為開(kāi)關(guān)，使帶有濾波器（L或/和C）的負(fù)載線路與直流電壓一會(huì)兒接通，一會(huì)兒斷開(kāi)，則負(fù)載上也得到另一個(gè)直流電壓，這就是DC-DC的基本手段，類似于“斬波”（Chop）作用。

　　一個(gè)周期T_s內(nèi)，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，稱斷開(kāi)占空比D’，D’= t_off/T_s。很明顯，接通占空比越大，負(fù)載上電壓越高；1/T_s=f_s稱開(kāi)關(guān)頻率，f_s越高，負(fù)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(zhǎng)短（即脈沖的寬度），使負(fù)載變化時(shí)，負(fù)載上電壓變化不大的方法，稱脈寬調(diào)制法（Pulse Width Modulation,簡(jiǎn)稱為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(diào)制方式控制電子開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)變換器，稱為PWM開(kāi)關(guān)變換器。它是以使用“硬開(kāi)關(guān)”為主要特征的。

　　另一類稱之為軟開(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(dǎo)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(jí)，開(kāi)關(guān)電源體積、重量顯著減少。

　　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(guī)律無(wú)阻尼振蕩，其頻率即電路的諧振頻率，或稱振蕩頻率。利用諧振現(xiàn)象，電子開(kāi)關(guān)器件兩端電壓按正弦規(guī)律振蕩，當(dāng)振蕩到零時(shí)，使電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，流過(guò)電流，此法稱零電壓開(kāi)通（Zero Voltage Switching 簡(jiǎn)稱ZVS）。同理，當(dāng)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)，此法稱為零電流關(guān)斷（Zero Current Switching 簡(jiǎn)稱ZCS）。

　　利用諧振現(xiàn)象，使電子開(kāi)關(guān)器件上電壓或電流按正弦規(guī)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(dǎo)的變換器稱諧振變換器，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(duì)稱。一般正向正弦半波大于負(fù)向正弦半波，所以常稱為準(zhǔn)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(zhǔn)諧振。

　　利用準(zhǔn)諧振現(xiàn)象，使電子開(kāi)關(guān)器件上的電壓或電流按正弦規(guī)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(dǎo)的變換器稱為準(zhǔn)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(dǎo)體功率管或整流管的結(jié)電容）或外加諧振電感和電容，可得到相應(yīng)的準(zhǔn)諧振變換器。

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

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

　　調(diào)頻系統(tǒng)不如PWM開(kāi)關(guān)那樣易控，加上諧振、準(zhǔn)諧振、多諧振電路諧振電壓（或電流）峰值高，開(kāi)關(guān)受的應(yīng)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(zhuǎn)換-PWM變換器。

　　零開(kāi)關(guān)-PWM變換器是指在準(zhǔn)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(nèi)，一部分時(shí)間按ZCS或ZVS準(zhǔn)諧振變換器工作，另一部分時(shí)間按PWM變換器工作。前者稱ZCS-PWM變換器，后者稱為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(diào)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(zhuǎn)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(jié)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(jié)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。每一類中又有六種拓?fù)洌築uck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic和Zeta。由此可見(jiàn)DC-DC基本電路就不勝其數(shù)了。多數(shù)電路都具有個(gè)性，有典型應(yīng)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?fù)鋪?lái)分類，還有從其他角度、特征來(lái)分類的。例如，若按激勵(lì)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(diào)頻、調(diào)寬、調(diào)幅、諧振等幾種。目前應(yīng)用較廣的是調(diào)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(hào)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。有些線路通過(guò)電子器件完成電壓-頻率，或者頻率-電壓的轉(zhuǎn)換工作之后，用變壓器與控制信號(hào)隔離。

　　根據(jù)電感電流是否連續(xù)，DC-DC變換器有兩種工作模式。一種是連續(xù)導(dǎo)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(xù)導(dǎo)電模式（DCM，Discontinuous Conduction Mode），DC-DC變換器在輕載下工作于這種模式。