浮思特 | 如何实现高效、可靠的DC-DC转换器?

电源转换器被期望具有高效率、成本效益、紧凑性和可靠性。此外，尽管输入电压在广泛范围内变化，其输出电压波动的容忍度应非常低。这是因为电源转换器应用范围广泛，包括从笔记本电脑到航天控制系统、从电动机驱动到电信行业等各种规模的电源供给。

 

基本的概念仍然是产生稳定的输出电压。那么，哪些转换技术使得这一行为成为可能呢?

 

转换电路概述

在转换电路中，开关控制着电力从输入侧向输出侧的动态传输。开关处于完全导通或完全关闭状态，两者之间的过渡时间短暂。

 

作为开关元件使用的半导体组件可以是：

· 双极结晶体管(BJT)

· 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)

· 闸极关断晶闸管(GTO)

· 快恢复二极管

这些元件如图1所示。

图1

组件上的电压波形通常呈周期性特征，以脉宽调制(PWM)方波、矩形波或其组合形式呈现。同样，电流波形可以是三角形或梯形。

 

目前有大量的转换电路能够增加或减少输入电压的幅度，同时可能还会反转其极性。

 

理想的直流-直流转换器展现出100%的效率，但在实际应用中，通常观察到的效率在70%到95%之间。这可以通过采用开关模式或切换电路来实现，这类电路消耗的功率几乎可以忽略不计。其工作原理基于根据需要进行升压或降压。

 

其他变体通常以某种形式包含线圈，通常是升压电路和降压电路或其应用电路的组合。然而，这些电路中潜在的转换原理主要是共振概念和一些磁性特征。

 

DC-DC转换技术

 

任何开关直流-直流转换器的操作基础是电子转换原理。一般来说，电子转换器的实际工作是通过开关技术实现的。

 

开关涉及将一种直流电压转换为另一种直流电压——它可以高于或低于输入电压，这一过程是通过暂时储存输入能量，然后以受控的方式将这能量释放到以不同电压输出的方式来实现的。这个过程主要受两个重要概念的支配：共振和磁性。

 

大多数电源转换器都配备了电感和电容等被动元件。这些被动元件形成了一个谐振电路，该电路会根据共振原理调谐到特定频率。一个示例谐振电路如图2所示。

图2

在谐振模式下的转换器操作被定义为电路输入和输出之间阻抗达到最小点的状态。

 

在正弦电压或电流的零交叉附近进行开关操作，确保了由于降低能量损耗而提高的效率。这是通过将电容器和电感器等反应元件放置接近开关，以产生必要的正弦电压或电流来实现的。

 

在漏极到源极电压几乎可以忽略不计时进行开关操作(即零电压开关，ZVS)，以及在开关状态之间过渡时流过开关的电流几乎为零(即零电流开关，ZCS)，可以确保减少开关损耗。这个原理也被称为软开关，它还有助于降低电磁干扰(EMI)。

 

磁性设计方面是转换器设计的一个重要组成部分，通常是不可分割的。因此，从早期设计阶段——例如预期转换器的建模开始，就必须对相关的磁性元件进行建模和设计。这一阶段有助于理解所需的磁性元件及其在整合后的操作，并为开关转换器的磁性设备设计提供了见解。

 

对转换器至关重要的一个关键磁性元件是电感。电感的类型(如单绕组、多绕组或耦合电感)根据转换器的需求进行选择，并进行设计。目标是基于所需的磁性优化设计，以确保适当的转换器操作并实现卓越的性能。最小化总损耗是磁性设计的关键目标，设计过程中需要考虑如最小铜损等基本约束。

 

关键要点

 

· 理想的直流-直流转换器展现出100%的效率，但在实际中，观察到的效率在70%到95%之间。

 

· 任何开关直流-直流转换器的操作基础是电子转换原理。

 

· 涉及将一种直流电压转换为另一种直流电压——它可以高于或低于输入电压，这一过程是通过暂时储存输入能量，然后以受控的方式将这能量释放到以不同电压输出的方式来实现的。

 

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