浮思特 | 如何實現(xiàn)高效、可靠的DC-DC轉換器?

電源轉換器被期望具有高效率、成本效益、緊湊性和可靠性。此外，盡管輸入電壓在廣泛范圍內變化，其輸出電壓波動的容忍度應非常低。這是因為電源轉換器應用范圍廣泛，包括從筆記本電腦到航天控制系統(tǒng)、從電動機驅動到電信行業(yè)等各種規(guī)模的電源供給。

基本的概念仍然是產生穩(wěn)定的輸出電壓。那么，哪些轉換技術使得這一行為成為可能呢?

轉換電路概述

在轉換電路中，開關控制著電力從輸入側向輸出側的動態(tài)傳輸。開關處于完全導通或完全關閉狀態(tài)，兩者之間的過渡時間短暫。

作為開關元件使用的半導體組件可以是：

·雙極結晶體管(BJT)

·金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)

·閘極關斷晶閘管(GTO)

·快恢復二極管

這些元件如圖1所示。

組件上的電壓波形通常呈周期性特征，以脈寬調制(PWM)方波、矩形波或其組合形式呈現(xiàn)。同樣，電流波形可以是三角形或梯形。

目前有大量的轉換電路能夠增加或減少輸入電壓的幅度，同時可能還會反轉其極性。

理想的直流-直流轉換器展現(xiàn)出100%的效率，但在實際應用中，通常觀察到的效率在70%到95%之間。這可以通過采用開關模式或切換電路來實現(xiàn)，這類電路消耗的功率幾乎可以忽略不計。其工作原理基于根據(jù)需要進行升壓或降壓。

其他變體通常以某種形式包含線圈，通常是升壓電路和降壓電路或其應用電路的組合。然而，這些電路中潛在的轉換原理主要是共振概念和一些磁性特征。

DC-DC轉換技術

任何開關直流-直流轉換器的操作基礎是電子轉換原理。一般來說，電子轉換器的實際工作是通過開關技術實現(xiàn)的。

開關涉及將一種直流電壓轉換為另一種直流電壓——它可以高于或低于輸入電壓，這一過程是通過暫時儲存輸入能量，然后以受控的方式將這能量釋放到以不同電壓輸出的方式來實現(xiàn)的。這個過程主要受兩個重要概念的支配：共振和磁性。

大多數(shù)電源轉換器都配備了電感和電容等被動元件。這些被動元件形成了一個諧振電路，該電路會根據(jù)共振原理調諧到特定頻率。一個示例諧振電路如圖2所示。

在諧振模式下的轉換器操作被定義為電路輸入和輸出之間阻抗達到最小點的狀態(tài)。

在正弦電壓或電流的零交叉附近進行開關操作，確保了由于降低能量損耗而提高的效率。這是通過將電容器和電感器等反應元件放置接近開關，以產生必要的正弦電壓或電流來實現(xiàn)的。

在漏極到源極電壓幾乎可以忽略不計時進行開關操作(即零電壓開關，ZVS)，以及在開關狀態(tài)之間過渡時流過開關的電流幾乎為零(即零電流開關，ZCS)，可以確保減少開關損耗。這個原理也被稱為軟開關，它還有助于降低電磁干擾(EMI)。

磁性設計方面是轉換器設計的一個重要組成部分，通常是不可分割的。因此，從早期設計階段——例如預期轉換器的建模開始，就必須對相關的磁性元件進行建模和設計。這一階段有助于理解所需的磁性元件及其在整合后的操作，并為開關轉換器的磁性設備設計提供了見解。

對轉換器至關重要的一個關鍵磁性元件是電感。電感的類型(如單繞組、多繞組或耦合電感)根據(jù)轉換器的需求進行選擇，并進行設計。目標是基于所需的磁性優(yōu)化設計，以確保適當?shù)霓D換器操作并實現(xiàn)卓越的性能。最小化總損耗是磁性設計的關鍵目標，設計過程中需要考慮如最小銅損等基本約束。

關鍵要點

· 理想的直流-直流轉換器展現(xiàn)出100%的效率，但在實際中，觀察到的效率在70%到95%之間。

· 任何開關直流-直流轉換器的操作基礎是電子轉換原理。

· 涉及將一種直流電壓轉換為另一種直流電壓——它可以高于或低于輸入電壓，這一過程是通過暫時儲存輸入能量，然后以受控的方式將這能量釋放到以不同電壓輸出的方式來實現(xiàn)的。

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