SEPIC，Zeta和雙開關降壓-升壓轉換器是三款常見的非反向降壓-升壓拓撲結構，這些拓撲結構提供正向輸出以及升壓/降壓功能。當運行在降壓-升壓模式中時，所有三個轉換器會經(jīng)歷高電流應力和高傳導損耗。然而，通過使雙開關降壓-升壓轉換器運行在降壓模式或升壓模式，可減少電流應力，并且能夠提高效率。
介紹
降壓-升壓轉換器被廣泛應用于工業(yè)用個人計算機 (IPC)，銷售點 (POS) 系統(tǒng)，和汽車啟停系統(tǒng)。在這些應用中，輸入電壓可以高于或低于所需的輸出電壓?；痉聪蚪祲?升壓轉換器具有一個相對于接地的負輸出電壓。單端初級電感器轉換器 (SEPIC)，Zeta轉換器和雙開關降壓-升壓轉換器具有正向或非反向輸出。然而，與基本反向降壓-升壓轉換器相比，所有這三個非反向拓撲結構具有額外的功率元件，并且效率有所下降。本文介紹對這些降壓-升壓轉換器的操作原理、電流應力和功率損耗分析，并且提出高效非反向降壓-升壓轉換器的設計標準。
反向降壓-升壓轉換器
圖表1顯示了基本反向降壓-升壓轉換器的電路原理圖，連同連續(xù)傳導模式 (CCM) 下的典型電壓和電流波形。除了輸入和輸出電容器，功率級由一個功率金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET)，一個二極管，和一個電感器組成。當MOSFET (Q1) 接通時 (ON)，流經(jīng)電感器 (L1) 的電壓為VIN，而電感器電流的斜升速率與VIN的上升速率成正比。這導致電感器內的電能累積。當Q1接通時，輸出電容器提供全部負載電流。當Q1關閉時，二極管 (D1) 被正向偏壓，并且電感器電流的下降速度與VOUT的下降速度成正比。在Q1斷開時，電能從電感器被傳送到輸出負載和電容器。
CCM模式下的反向降壓-升壓轉換器的電壓轉換率可表示為：
在這里，D是Q1的占空比，并且始終在0至1的范圍內。等式1表示輸出電壓的幅度可以高于(此時D>0.5)或低于(此時D<0.5)輸入電壓。然而，輸出電壓與輸入電壓的極性始終相反。
傳統(tǒng)非反向降壓-升壓轉換器
反向降壓-升壓轉換器不能滿足需要正向輸出電壓的應用的要求。SEPIC，Zeta，和雙開關降壓-升壓轉換器是三種常見的非反向降壓-升壓拓撲結構。Zeta轉換器，也被稱為反向SEPIC，它與SEPIC相類似，但是不如SEPIC那么受歡迎，其原因在于這類轉換器需要一個會增加電路復雜度的高側驅動器。
圖表1.反向降壓-升壓轉換器
在圖表2中顯示了一個SEPIC轉換器和其CCM模式下的理想波形。一個SEPIC轉換器的電壓轉換率為：
等式2表示正向輸出電壓和降壓-升壓能力。與一個反向降壓-升壓轉換器相類似，一個SEPIC轉換器具有一個單個MOSFET (Q1) 和一個單個二極管 (D1)。SEPIC轉換器中的MOSFET和二極管對于電壓和電流的需求與反向降壓-升壓轉換器中此類元件的電壓和電流需求相類似。同樣地，MOSFET和二極管的功率損耗也是相似的。在另一方面，SEPIC轉換器具有一個額外的電感器 (L2) 和一個額外的交流耦合電容器 (Cp)。
在一個SEPIC轉換器中，L1的平均電感器電流等于輸入電流 (IIN)，而L2的平均電感器電流等于輸出電流 (IOUT)。相反地，反向降壓-升壓轉換器中的單個電感器的電流值為IIN + IOUT的平均值。耦合電容器上會出現(xiàn)相對于輸入電流和輸出電流的高值均方根 (RMS) 電流，這會生成額外的功率損耗，并減少轉換器的總體效率。
為了減少功率損耗，需要具有低值等效串聯(lián)電阻 (ESR) 的陶瓷電容器，而這樣通常會使成本增加。SEPIC轉換器中與額外耦合電容器相耦合的額外電感器會增加印刷電路板 (PCB) 的尺寸以及總體解決方案成本。耦合電感器可被用來替代兩個單獨的電感器，以便減少PCB尺寸。然而，相對于單獨的電感器，現(xiàn)貨供應的耦合電感器的選擇范圍有限。有時需要定制設計，這一也增加了成本和交貨時間。
圖表2.SEPIC轉換器
一個傳統(tǒng)雙開關降壓-升壓轉換器使用一個單個電感器(圖表3)。然而，它比反向降壓-升壓轉換器多了一個MOSFET (Q2) 和一個二極管 (D2)。通過同時接通和斷開Q1和Q2，轉換器運行在降壓-升壓模式，而電壓轉換率也可由等式2計算得出。這可以確保雙開關降壓-升壓轉換器執(zhí)行非反向轉換。在圖表3中顯示了運行在降壓-升壓模式和CCM模式下的雙開關降壓-升壓轉換器的理想波形。在Q1和D1上都出現(xiàn)值為VIN的電壓應力，而Q2和D2上的電壓應力值均為VOUT。在忽略電感器紋波電流的情況下，Q1，Q2，D1和L1上的電流應力值均為IIN + IOUT。相對較多的功率器件數(shù)量和降壓-升壓模式中的高電流應力值會妨礙轉換器的高效率。
雙開關降壓-升壓轉換器的工作模式優(yōu)化
雙開關降壓-升壓轉換器是一個降壓轉換器與其后面的一個升壓轉換器的級聯(lián)組合。除了上面提到的降壓-升壓模式，Q1和Q2中具有完全一樣的柵極控制信號，雙開關降壓-升壓轉換器還可以運行在降壓或升壓模式中。通過在VIN高于VOUT時使轉換器運行在降壓模式，并且在VIN低于VOUT時使轉換器運行在升壓模式，可實現(xiàn)降壓-升壓功能。
圖表3.降壓-升壓運行模式中的雙開關降壓-升壓轉換器
在降壓模式下，Q2被控制為始終處于斷開狀態(tài)，并且與典型降壓轉換器中一樣，通過控制Q1來調節(jié)輸出電壓。圖表4中顯示了降壓模式中的等效電路和CCM模式中的相應理想波形。電壓轉換率與典型降壓轉換器的轉換率一樣：
在這里D是Q1的占空比。在降壓模式下，由于D一直小于1，所以輸出電壓始終低于輸入電壓。三個方面的原因使得降壓模式的效率有可能高于降壓-升壓模式的效率。首先，Q2在降壓模式中始終處于斷開狀態(tài)，這意味著其中沒有功率耗散。第二點，在降壓模式下，Q1，D1和L1中的電流應力值只是IOUT，而這個值要低于降壓-升壓模式中的值IIN + IOUT，這就有可能減少功率損耗。第三點，雖然D2的傳導損耗保持不變，由于D2始終處于傳導狀態(tài)，降壓模式中的反向恢復損耗被消除。
通過將Q1一直保持在接通狀態(tài)，D1被反向偏置偏壓并且保持斷開狀態(tài)，然后雙開關降壓-升壓轉換器運行在升壓模式下。與典型升壓轉換器相類似，通過控制Q2來調節(jié)輸出電壓。圖表5中顯示了升壓模式下的等效電路，以及CCM模式中的相應理想波形。電壓轉換率與典型升壓轉換器中的轉換率一樣：
在這里D是Q2的占空比。在升壓模式下，由于D始終大于零，輸出電壓一直大于輸入電壓。相似地，由于具有較少的運行功率器件和更低的電流應力值，在升壓模式下可以實現(xiàn)比降壓-升壓模式更高的效率。
圖表4.雙開關降壓-升壓轉換器的降壓模式運行
圖表5.雙開關降壓-升壓轉換器的升壓模式運行
高效雙開關降壓-升壓轉換器的實現(xiàn)
雙開關降壓-升壓轉換器可以運行在降壓-升壓、降壓或升壓模式下。工作模式的不同組合可以用來實現(xiàn)升壓和降壓功能。需要合適的控制電路來確保所需的運行模式。表格1中匯總了四個不同工作模式組合間的比較結果。純降壓-升壓模式的特點是控制最為簡單，但是在VIN范圍內的升壓和降壓轉換效率不高。
表格1.工作模式比較
降壓、降壓-升壓和升壓模式的組合有可能在VIN范圍內實現(xiàn)高效率。然而，由于多個工作模式和導致的不同模式之間的轉換，其控制十分復雜。在很多應用中，輸入電壓通常只在短時間內會下降到低于輸出電壓的水平。在這些應用中，升壓轉換效率不像降壓轉換效率那么關鍵。同樣地，降壓和降壓-升壓模式的組合很好地平衡了控制復雜度和效率之間的關系。
圖表6顯示了使用德州儀器 (TI) 生產的LM5118雙模式控制器來實現(xiàn)雙開關降壓-升壓轉換器的實際方法。這個轉換器在輸入電壓高于輸出電壓時充當降壓轉換器的角色。隨著輸入電壓接近并超過輸出電壓，它轉變?yōu)榻祲?升壓模式。在降壓模式和降壓-升壓模式之間有一個較短的漸進轉換區(qū)域，以便消除轉換期間對輸出電壓的干擾。
圖表6.雙開關降壓-升壓轉換器特有降壓和降壓-升壓工作模式
在這個示例中，標稱輸出電壓為12V。當VIN高于15.5V時，轉換器運行在降壓模式。當VIN下降到13.2V以下時，轉換器的工作模式變?yōu)榻祲?升壓模式。當VIN介于15.5V和13.2V之間時，轉換器運行在轉換模式。圖表7顯示了開關節(jié)點1 (SW1) 和開關節(jié)點2 (SW2) 的電壓波形。在降壓模式下 (VIN = 24V)，SW2電壓保持恒定，這表示Q2被保持在斷開狀態(tài)。相反地，Q2以及Q1在降壓-升壓模式中正在被切換 (VIN = 9V)。圖表8顯示負載電流為3A時相對于輸入電壓的效率。通過在降壓模式中運行，轉換器可提高降壓轉換的效率。
圖表7.開關節(jié)點上的電壓波形
圖表8.相對于輸入電壓的效率
結論
SEPIC，Zeta和雙開關降壓-升壓轉換器是三款常見的非反向降壓-升壓拓撲結構，這些拓撲結構提供正向輸出以及升壓/降壓功能。當運行在降壓-升壓模式中時，所有三個轉換器會經(jīng)歷高電流應力和高傳導損耗。然而，通過使雙開關降壓-升壓轉換器運行在降壓模式或升壓模式，可減少電流應力，并且能夠提高效率。
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