DC-DC电压变换器.doc

什么DC-DC转换器？直流电压变换器有什么用？
LYLD.COM2010-07-31
什么DC-DC转换器？
将直流低压变成各种不同的直流高压的电路，直流电压变换器。其基本原理为，将由市电变压、整流、滤波或电池得到的直流电源，经稳压后加于自激振荡器，利用振荡晶体管作为断续开关，控制直流电源的接通和断开，由此产生的高频电压经过变频变压、整流、滤波，获得所需的直流高压。在此同时，输出电压Uo的另一路经取样、基准、放大电路、回控振荡器，使输出电压稳定。

DC-DC转换器原理
通常50Hz、220V的市电通过电子设备内部的变压、整流、滤波和稳压等环节，就能变成机器本身所需要的各档直流电压但在一些医学仪器中，如某些型号的心电图机、X线影像增强器、CT等，既需要低压直流电源，又需要高压直流电源供电，若在变压环节中直接由电源变压器的次级输出高电压，再进行整流、滤波、稳压等环节，理论上也可以实现，但是实际线路有许多缺点，如变压器体积、重量过大，对绝缘材料的质量要求高，同时要求整流、滤波和稳压等环节的电路元件耐压也要高等。因此，在负载不是很重的情况下，高压电源都可采用直流电压变换器。
直流电压变换器有什么用？
它能够避免公共地线，如在临床和基础医学研究中，仪器和生物体有公共地线时，极易受到50Hz市电的干扰，使仪器不能正常工作；还能避免仪器漏电对病人的危害，采用浮地接法，使前级放大器的零电位点与主放大器的零电位点相隔离；还用于没有或不宜使用交流市电的场合。
此外，直流电压变换器还有以下优点：
由于高频方波电压发生器产生频率一般为几十千赫，远远高于市电50Hz频率，输出变压器的体积、滤波电容器的容量和体积、滤波线圈的电感量和体积都可大大减小；当电源过载时，方波发生器会自动停振，具有电源的自动保护作用。其缺点是内阻较大，输出的高压稳定性较差。
直流电压变换器是一种将模拟量转变为数字量的半导体元件。
按功能可分为:升压变换器、降压变换器和升降压变换器。在燃料电池汽车中主要采用升压变换器。
变换器首先通过电力电子器件将直流电源转变成交流电(AC),一般称作逆变,然后通过变压器(升压比为1∶n)升压,最后通过整流、滤波电路产生变压后的直流电,以供负载使用.
直流转换器与一般的变换器相比，具有抗干扰能力强、可靠性高、输出功率大、品种齐全等特点，用途广泛，输入输出完全隔离，输出多路不限，极性任选。
宽范围输入变换器是专为满足输入电压变化范围较大场合需要而开发的一种直流稳压电源,其输入直流电压可以在DC100V-375V宽范围内变动而保证输出电压的稳定性.此外,这种电源体积小,重量轻、保护功能完善,具有良好的电磁兼容性。本身具有过流、过热、短路保护。
多档输出的变换器,它不仅提供电源而且有振铃和报警功能。该变换器分为军用、工业及商业三个品级，在诸如通信机房、舰船等蓄电池供电的场合极为适用。
开关电源的工作原理
开关电源是有电路来控制开关管而进行高速的道通和截止。是将直流电转化成高频交流电来给变换器进行变压，使其产生所需要的一组或多组电压！转化为高频交流电的道理是高频交流在变压器电路中的效率要比市电50Hz或60Hz高。因此开关电源变压器可以做到体积很小，在开关电源工作的时候不会很热，产品价格比工频直流稳压电源低．如果不将50Hz或60Hz变为高频电，那么开关电源就没有任何意义。开关电源大体可以分为隔离和不隔离这两种，是隔离型的一定有开关电源变换器，而不隔离的未必一定有开关电源变换器。开关电源与传统直流电源相比具有体积小重量轻、和效率高等优点。
电源逆变器/转换器工作原理详解
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直流至直流切换式转换器典型直流至直流转换器系统的构造如图1所示，其输入通常为由线电压整流而得到非调节直流电压，然后再利用切换式直流至直流转换器将此变动的直流电压转换成一调节的直流电压。

图1 直流至直流切换式转换器典型直流至直流转换器系统的构造
1．降压式(step-downbuck)转换器。
2．升压式(step-upboost)转换器。
3．升降压式(step-down/step-upbuck-boost)转换器。
4．全桥式转换器。上述四种转换器中，只有降压式及升压式是最基本的转换器电路结构，升降压式转换器是此二基本转换器的结合，而全桥式转换器则是由降压式转换器衍生而来。
直流至直流转换器的控制直流至直流转换器的作用即是在输入电压与输出负载变动的情况下能够调节输出电压为所设定的位准。电压位准转换之原理可以图2(a)所示之简单电路来说明，由开关导通与截止可得图2(b)之波形，其中输出电压Vo平均值大小Vo与开关之导通及截止时间(ton及toff)有关。平均输出电压大小调整之最典型的方式是采用脉波宽度调变法(Pulse-WidthModulation，PWM)，其切换周期Ts(=ton+toff)为固定，由调整导通时间之大小来改变平均输出电压之大小Vo。

A B
图2
脉波宽度调变切换控制的方块图如图3(a)所示，开关之切换控制信号由控制讯号Vcontrol与周期为Ts之锯齿波Vst比较而得，控制信号则由Vo之实际值与设定值之误差放大而得。Vcontrol与Vst比较所得之切换控制信号的波形如图3(b)所示。当控制讯号Vst较大时，则为高准位信号，即使开关导通，反之为低准位信号即使开关截止，故开关之切换周期亦为Ts，由以上的原理可知，开关切换之责任周期(DutyRatio)为D=ton/Ts=Vcontrol/Vst，其中Vst为锯齿波的振幅。

图 3

直流-直流(DC/DC)变换器
DC/DC变换释义
DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton(通用)，二是频率调制（1）Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压
　　U0小于输入电压Ui，极性相同。
　　（2）Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压
　　U0大于输入电压Ui，极性相同。
　　（3）Buck－Boost电路——降压或升压斩波器，其
　　输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。
　　（4）Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电
　　压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输。
　　还有Sepic、Zeta电路。
上述为非隔离型电路，隔离型电路有正激电路、反激电路、半桥电路、全桥电路、推挽电路。
DC/DC变换发展
当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为(6.2、10、17)W/cm3，效率为（80～90）％。日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200～300)kHz，功率密度已达到27W/cm3，采用同步整流器（MOS?FET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90％。
AC/DC变换
AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作损耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。
直流-直流变换器功能模块介绍
直流-直流变换器（DC-DC converter）内部一般具有PWM（脉宽调制）模块，E/A（差错放大器模块），比较器模块等几大功能模块。如下图UC3842所示：
直流-直流变换器工作原理
其工作原理为：输出经过FB（反馈电路）接到FB pin，反馈电压VFB与设定好的比较电压Vcomp比较后，产生差错电压信号，差错电压信号输入到PWM模块，PWM根据差错电压的大小调节占空比，从而达到控制输出电压的目的，振荡器的作用是产生PWM工作频率的三角波，三角波经过斩波电压斩波后，产生方波，其方波就是控制MOSFET的导通时间从而控制输出电压的。
直流变换器调制方法
开关管导通时，输出电压等于输入电压Ud；开关管断开时，输出电压等于0。输出电压波形如上图所示，输出电压的平均值Uo为(4-1)式中Ts—开关周期D—开关占空比，􀂄改变负载端输出电压有3种调制方法：
　　1．开关周期Ts保持不变，改变开关管导通时间ton。也称为脉宽调制(PWM)。􀂄
　　2．开关管导通时间ton保持不变，改变开关周期Ts。􀂄
　　3. 改变开关管导通时间ton，同时也改变开关周期Ts。
方式1的PWM是最常见的调制方式，这主要是因为后2种方式改变了开关频率，而输出级滤波器是根据开关频率设计的，显然，方式1有较好的滤波效果。
直流变换器脉宽调制方式
􀂄图4-2(a)是脉宽调制方式的控制原理图。给定电压与实际输出电压经误差放大器得到误差控制信号uco，该信号与锯齿波信号比较得到开关控制信号，控制开关管的导通和关断，得到期望的输出电压。图4-2(b)给出了脉宽调制的波形。锯齿波的频率决定了变换器的开关频率。一般选择开关频率在几千赫兹到几百千赫之间。
直流变换器工作模式
按照控制电压和锯齿波幅值的关系，开关占空比D可以表示成：(4-2)􀂄直流-直流变换器有两种不同的工作模式：
　　1. 电感电流连续模式
　　2.电感电流断续模式􀂄在不同的情况下，变换器可能工作在不同的模式。因此，设计变换器和它的控制器参数时，应该考虑这两种不同的工作模式的特性。
一、简介
直流-直流变换器也称为斩波器，通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比改变输出电压平均值。
直流-直流变换器主要有如下几种基本型式：
􀂄1.降压直流-直流变换器(Buck Converter)
􀂄2.升压直流-直流变换器(Boost Converter)
􀂄3.降压-升压复合型直流-直流变换器(Buck-Boost Converter)
􀂄4.丘克直流-直流变换器
􀂄5. 全桥式直流-直流变换器(Full Bridge Converter)
二、直流-直流变换器（DC-DC converter）功能模块介绍
直流-直流变换器（DC-DC converter）内部一般具有PWM（脉宽调制）模块，E/A（差错放大器模块），比较器模块等几大功能模块。如下图UC3842所示：

其工作原理为：输出经过FB（反馈电路）接到FB pin，反馈电压VFB与设定好的比较电压Vcomp比较后，产生差错电压信号，差错电压信号输入到PWM模块，PWM根据差错电压的大小调节占空比，从而达到控制输出电压的目的，振荡器的作用是产生PWM工作频率的三角波，三角波经过斩波电压斩波后，产生方波，其方波就是控制MOSFET的导通时间从而控制输出电压的。
三、直流变换器的控制

开关管导通时，输出电压等于输入电压Ud；开关管断开时，输出电压等于0。输出电压波形如上图所示，输出电压的平均值Uo为(4-1)式中Ts—开关周期D—开关占空比，􀂄改变负载端输出电压有3种调制方法：

1．开关周期Ts保持不变，改变开关管导通时间ton。也称为脉宽调制(PWM)。􀂄
2．开关管导通时间ton保持不变，改变开关周期Ts。􀂄
3. 改变开关管导通时间ton，同时也改变开关周期Ts。
方式1的PWM是最常见的调制方式，这主要是因为后2种方式改变了开关频率，而输出级滤波器是根据开关频率设计的，显然，方式1有较好的滤波效果。
􀂄图4-2(a)是脉宽调制方式的控制原理图。给定电压与实际输出电压经误差放大器得到误差控制信号uco，该信号与锯齿波信号比较得到开关控制信号，控制开关管的导通和关断，得到期望的输出电压。图4-2(b)给出了脉宽调制的波形。锯齿波的频率决定了变换器的开关频率。一般选择开关频率在几千赫兹到几百千赫之间。

按照控制电压和锯齿波幅值的关系，开关占空比D可以表示成：(4-2)􀂄直流-直流变换器有两种不同的工作模式：

1. 电感电流连续模式
2.电感电流断续模式􀂄在不同的情况下，变换器可能工作在不同的模式。因此，设计变换器和它的控制器参数时，应该考虑这两种不同的工作模式的特性。
直流-直流变换器（DC/DC）变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。按额定功率的大小来划分，DC/DC可分为750W以上、750W～1W和1W以下3大类。进入20世纪90年代，DC/DC变换器在低功率范围内的增长率大幅度提高，其中6W～25WDC/DC变换器的增长率最高，这是因为它们大量用于直流测量和测试设备、计算机显示系统、计算机和军事通讯系统。由于微处理器的高速化，DC/DC变换器由低功率向中功率方向发展是必然的趋势，所以251W～750W的DC/DC变换器的增长率也是较快的，这主要是它用于服务性的医疗和实验设备、工业控制设备、远程通讯设备、多路通信及发送设备，DC/DC变换器在远程和数字通讯领
域有着广阔的应用前景。

DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约20％～30％的电能。直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源),同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
DCDC变换器综述1
1引言
直流-直流变换器(DC/DC)变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。按额定功率的大小来划分，DC/DC可分为750W以上、750W～1W和1W以下3大类。进入20世纪90年代，DC/DC变换器在低功率范围内的增长率大幅度提高，其中6W～25WDC/DC变换器的增长率最高，这是因为它们大量用于直流测量和测试设备、计算机显示系统、计算机和军事通讯系统。由于微处理器的高速化，DC/DC变换器由低功率向中功率方向发展是必然的趋势，所以251W～750W的DC/DC变换器的增长率也是较快的，这主要是它用于服务性的医疗和实验设备、工业控制设备、远程通讯设备、多路通信及发送设备，DC/DC变换器在远程和数字通讯领域有着广阔的应用前景。
DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约20％～30％的电能。直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源),同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
DC/DC变换器现已商品化，模块采用高频PWM技术，开关频率在500kHz左右，功率密度为0.31W/cm3～1.22W/cm3。随着大规模集成电路的发展，要求电源模块实现小型化，因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构。目前，已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块，功率密度有较大幅度的提高。
电子产业的迅速发展极大地推动了开关电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代电子设备供电系统的主流。在电子设备领域中，通常将整流器称为一次电源，而将DC/DC变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前，在电子设备中用的一次电源中，传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代，高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT实现高频工作，开关频率一般控制在50kHz～100kHz范围内，实现高效率和小型化。近几年，开关整流器的功率容量不断扩大，单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A48V/400A。
因为电子设备中所用的集成电路的种类繁多，其电源电压也各不相同，在电子供电系统中，采用高功率密度的高频DC/DC隔离电源模块，从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压，可以大大减小损耗、方便维护，且安装和增容非常方便。一般都可直接装在标准控制板上，对二次电源的要求是高功率密度。因为电子设备容量的不断增加，其电源容量也将不断增加。
2电力电子器件
功率变换技术高速发展的基础是电力电子器件和控制技术的高速发展，在21世纪，电力电子器件将进入第4代即智能化时代，具有如下显著的特征。
2.1高性能化
高性能化主要包括高电压、大容量、降低导通电压低损耗、高速度和高可靠性等4个方面。如IGBT的电流可达2kA～3kA、电压达到4kV～6kV,降低损耗是所有复合器件的发展目标。预计在21世纪IGBT、智能化功率模块(IPM)等器件的导通电压可降到1V以下，而MOSFET、IBGT、MCT等器件的应用频率将达到兆赫数量级。
2.2智能化和集成化
智能化的发展是系统智能集成(ASIPM),即将电源电路、各种保护以及PWM控制电路等都集成在一个芯片上，制成一个完整的功率变换器IC。集成电力电子模块(IPEM)是将驱动、自动保护、自诊断功能的IC与电力电子器件集成在一个模块中。由于不同的元器件、电路、集成电路的封装或相互连接产生的寄生参数已成为决定电力电子系统性能的关键，所以采用IPEM方法可减少设计工作量，便于生产自动化，提高系统质量、可靠性和可维护性，缩短设计周期，降低产品成本。
IPEM与IPM或PIC的不同之处在于后者是单层单片集成，一维封装；而前者是高电压、大电流、多层多片集成，三维封装，结构更复杂，多方向散热，其热设计也更加重要。IPEM研究课题中有待解决的基本问题是结构的确定和通用性，新型电力电子器件评估的主要方面是开关单元、拓扑结构、高电压大电流功率器件的单片集成。大功率无源器件集成、IPEM三维封装(控制寄生参数，将寄生影响控制在最小范围)、热管理、IPEM设计软件、接口与系统的兼容性、IPEM性能预测、可靠性冗余和容错等都需要跨学科研究
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