功率变换器

Dc/dc功率变换器
1.引言
随着生产技术的发展，电力电子技术的应用已深入到工业生产和社会生活的各方面，功率变换技术作为电力电子技术研究的基础之一，有着广泛的应用前景。

本文将就DC/DC 功率变换器的发展与应用展开分析，并探讨其发展的趋势。

2.功率变换器的实际应用
由于功率变换器具有提高系统的效率，增大装置的功率密度的功能。

在现代社会中，其（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，有着广泛的应用前景。

近年（DC/DC）功率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，这也显示出了其在远程和数字通讯领域的广阔应用前景。

具体使用，例如：①直流开关电源，其功率变换的核心
就是DC/DC功率变换器；② DC/DC功率变换器也是现代燃料电池车动力系统中一个重要部分，主要功能是把不可调的直流电源变为可调的直流电源。

3.原理分析
DC/DC功率变换器按输入与输出间是否有电气隔离可以分为无电气隔离和有电器隔离的直流变化器两类。

按工作电路区分有降压式（BUCK），升压式（BOOST），升降压式（BUCK/BOOST），库克（CUK），瑞泰（ZETA），塞皮克（SEPIC）等六种。

DC/DC功率变换器基本电路原理图如图1所示。

图1中，功率开关管S1~S4及内部集成的二极管组成全桥开关变换器，S1及S3组成超前桥臂，S2及S4组成滞后桥臂，S1~S4在寄生电容、外接电容C1~C4和变压器漏感的作用F谐振，实现零电压开关。

其中C7为隔直电容，可有效地防止高频变压器的直流偏磁。

低压直流侧滤波电容为C5、C6、L1为共模电感。

下面，我将就升压降压的不同功能分别对其进行原理分析：
（1）普通降压功率变换器原理图如图2，当开关闭合时，加在电感两端的电压为（Vi-Vo ），此时电感由电压（Vi-Vo ）励磁，电感增加的磁通为：（Vi-Vo ）*Ton 。

当开关断开时，由于输出电流的连续，二极管VD 变为导通，电感削磁，电感减少的磁通为：（Vo ）*Toff 。

当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，（Vi-Vo ）*Ton=（Vo ）*Toff ，由于占空比D<1，所以Vi>Vo ，实现降压功能。

图2 降压型变换器原理图
降压型主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，基本的参数关系如下： ① 电流连续时，负载电压的平均值为 ：
t on 为开关处于通态的时间，t off 为开关处于断态的时间，
E E T t E t t t U on off on on o α==+=
T为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比。

②电流断续时，负载电压u o平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。

（2）普通升压变换器原理图如图3所示，当开关闭合时，输入电压加在电感上，此时电感由电压（Vi）励磁，电感增加的磁通为：（Vi）*Ton。

当开关断开时，由于输出电流的连续，二极管VD变为导通，电感削磁，电感减少的磁通为：（Vo- Vi）*Toff。

当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，（Vi）*Ton=（Vo- Vi）*Toff，由于占空比D<1，所以Vi<Vo，实现升压功能。

图3 升压型变换器原理图
升压型变换器基本的参数关系：
①当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即
化简后可得
()
off
o
on
t I
E
U
t
EI
1 1
-
=
上式中
将升压比的倒数记作β，即
，则β和导通占空比α有如下关系
则输出U0可表示为
输出电压
U0高于电源电压，关键有两个原因：一是L 储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C 可将输出电压保持住。

4.总结
总之, DC/DC 功率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 功率变换器现已商品化,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
/≥off t T 1=+βα
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。

功率变换器随应用需求而不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。

功率变换器高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。