20170402-DC-DC功率变换器的两种工作模式

PWM DC-DC 功率变换器的两种工作模式

普高（杭州）科技开发有限公式 张兴柱 博士

任何一个PWM DC-DC 功率变换器，当输入或者负载发生变化时，其在一个开关周期内的工作间隔数量也会发生变化。为了容易理解，先以电流负载下的Buck 变换器为例子，来说明这种变化。

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在负载电流比较大时，该变换器的一个开关周期内，只有两种工作间隔，即有源开关AS 导通、无源开关PS 截止的s DT 间隔，和有源开关AS 截止，无源开关PS 导通的s T D ′间隔。这种工作模式下，电感上的电流始终大于零，称为电感电流连续导电模式，简称为CCM 模式。

由于电容C 上满足安秒平衡定律，也即其在一个开关周期内的平均电流为零，所以电感电流在一个开关周期内的平均值必等于负载电流。当负载电流变小时，电感电流在一个开关周期内的平均值也必然变小，当变小到上图中红色波形的负载电流时，如果再继续变小负载电流的话，电感电流在有源开关AS 截止的间隔内，将减小到零。当无源开关采用二极管时，由于二极管的单向导电特性，一旦流过二极管的电流（在本例子中，即为电感电流）降为零时，二极管就会自动关断而截止，因此在这个负载之下的负载，变换器在一个开关周期内，会增加一个工作间隔，即s T D ′′间隔，这个间隔中的有源开关和无源开关均截止，这样的工作模式被称为电感电流不连续导电模式，简称DCM 模式。其电感电流的波形中，有一段时间的电流为零，如下图所示。

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任何PWM DC-DC 功率变换器，只要其无源开关采用二极管，那么在它的稳态工作点范围内，通常均有存在两种不同工作模式工作点的可能。这两种工作模式的转换之处，一般称作CCM/DCM 的边界，如上例中红色电感电流波形所对应的负载，即为CCM/DCM 的边界负载，在这个负载之上的负载，变换器工作于CCM ；在这个负载之下的负载，变换器工作于DCM 。

选择DC-DC功率变换器的工作模式，对于设计出一个性价比最优的开关电源是非常重要的。例如在50W以内的小功率反激开关电源中，将其全部工作点设计成DCM是更加好的设计；而在1KW以上的大功率开关电源中，则必须将大部分工作点设计成CCM，才是更好的设计。另外还可以通过变频控制，将所有工作点均控制在CCM/DCM边界，以便获得更好的性能。

由于功率变换器的特性与其的工作模式有着非常大的关系，所以解析或者了解每一个功率变换器在不同工作模式下的稳态关系和动态小信号关系，并将其用来设计与开发产品，是一件非常重要的事情，也是开关电源开发人员应当努力掌握的东西。