應(yīng)用非隔離直流-直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)提高轉(zhuǎn)換效率

在直流-直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，當(dāng)輸入等于輸出時(shí)，如果仍然采用輸入與輸出不等時(shí)的轉(zhuǎn)換方法，轉(zhuǎn)換效率將得不到提高，此時(shí)可用幾種非隔離直流-直流轉(zhuǎn)換方法，包括SEPIC、降壓-升壓法以及降壓升壓電路組合法等。本文分析了其中四種方法，并對(duì)典型應(yīng)用中的效率問題進(jìn)行了特別關(guān)注。

大多無(wú)隔離輸入-輸出穩(wěn)壓方案都有一個(gè)根本缺點(diǎn)，即當(dāng)輸入等于輸出時(shí)，和輸入輸出不相等時(shí)的情況相比其效率并沒有提高。從一些常用方法如SEPIC、C'uk及降壓+升壓組合電路可以明顯得出這個(gè)結(jié)果，即使當(dāng)輸入電壓接近或等于輸出電壓時(shí)，它們?nèi)匀徊捎秒妷和耆煌拈_關(guān)模式進(jìn)行處理。

如果控制正確，經(jīng)典的降壓和升壓級(jí)聯(lián)電路在輸入接近或等于輸出電壓時(shí)其效率應(yīng)該比其它情況更高。這并不是一個(gè)新的發(fā)現(xiàn)，已有文獻(xiàn)記載且在實(shí)際中已有應(yīng)用，但這種應(yīng)用因?yàn)椴皇侵绷?直流應(yīng)用的主流，所以似乎被人們所忽視了，目前主要用于大型主機(jī)計(jì)算機(jī)的高功率三相功率校正系統(tǒng)，故其未被列入常見的直流-直流轉(zhuǎn)換技術(shù)之中也并不令人感到驚訝。

下面我們將分析四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即三種降壓+升壓組合電路和一種單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)，在每種情況里都采用典型元件，且都包含寄生損耗。這里沒有包括傳統(tǒng)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器和C'uk轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樵诜歉綦x電路中輸出和輸入的極性是相反的。

電路結(jié)構(gòu)

圖1到圖4是這幾種電路的原理圖，分別為升壓+降壓、SEPIC、降壓+升壓以及另一種降壓+升壓(兩個(gè)開關(guān)同時(shí)驅(qū)動(dòng))電路，其中D1和D2分別是開關(guān)S1和S2的占空比。下面是詳細(xì)的分析。

1．升壓+降壓轉(zhuǎn)換器

圖1a的電路盡管是四個(gè)電路中最復(fù)雜的，卻有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它的輸入和輸出電流被電感平滑處理，減小了輸入和輸出端的紋波電流以及對(duì)電容C1和C3的電流應(yīng)力。但是這一方案也有缺點(diǎn)，電容C2的電流不管是當(dāng)Vin小于Vout時(shí)來(lái)自CR1還是當(dāng)Vin大于Vout來(lái)自S2，它都會(huì)有中斷，而且它需要兩個(gè)電感。


雖然電路工作時(shí)要兩個(gè)開關(guān)同時(shí)驅(qū)動(dòng)(其轉(zhuǎn)換方程與圖1d給出的相同)，但最有效的控制方法是在需要升壓功能(Vin小于Vout)時(shí)通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)S1，同時(shí)保持S2導(dǎo)通，而在需要降壓功能(Vin大于Vout)時(shí)通過PWM驅(qū)動(dòng)S2，同時(shí)保持S1斷開。這是一個(gè)很好的方案，因?yàn)楫?dāng)Vin=Vout時(shí)不需要任何開關(guān)模式功率處理，S1斷開而S2接通，功率只通過直流電路從輸入傳輸?shù)捷敵觯⑶耶?dāng)輸入近似等于輸出時(shí)，只需要最小開關(guān)模式的功率處理。

2．SEPIC

圖1b顯示經(jīng)典的單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)。顯然，就元件總數(shù)而言，這是四個(gè)電路中最簡(jiǎn)單的，只需要一個(gè)開關(guān)和一個(gè)二極管，但它卻需要兩個(gè)電感(或者在一個(gè)磁芯上的兩個(gè)電感繞組)。


如轉(zhuǎn)換方程所示，當(dāng)占空比D1等于0.5時(shí)，輸入和輸出相等，從輸入傳輸?shù)捷敵龅目偣β试陂_關(guān)模式中處理，且所有功率都通過電容C2傳輸。因此需要仔細(xì)考慮C2的紋波電流處理功能，C2可以是低阻抗電解質(zhì)類型，如今市面上有很多性能優(yōu)異的這類元件可供選擇。它的終端電壓等于輸入電壓，考慮到L1連到輸入且L2連接到地同時(shí)電感上的平均電壓必須為零后，這個(gè)結(jié)論是很顯然的。筆者認(rèn)為業(yè)界并沒有充分利用SEPIC，這可能是由于它具有非經(jīng)典配置，因而與簡(jiǎn)單的降壓或升壓電路相比設(shè)計(jì)人員不得不花費(fèi)更多精力進(jìn)行分析和考慮的緣故。

3．降壓+升壓轉(zhuǎn)換器

圖1c和圖1a的電路功能很相似，這里降壓部分在前，升壓部分在后，因此名為“降壓+升壓”轉(zhuǎn)換器，和“升壓＋降壓”正好相反。后面可以看到，當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時(shí)，它是效率最高的，當(dāng)Vin=Vout時(shí)，不需要任何開關(guān)模式處理，S1接通，S2斷開，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它只需要一個(gè)電感。缺點(diǎn)是輸入電流和輸出電流都是不連續(xù)的，所以必須選擇輸入和輸出電容，使它們能夠處理紋波電流。像圖1a中的電路一樣，當(dāng)Vin小于Vout時(shí)，S1保持接通，S2作為一個(gè)PWM升壓轉(zhuǎn)換器。當(dāng)Vin大于Vout時(shí)，S1作為一個(gè)PWM降壓轉(zhuǎn)換器，S2斷開。


4．降壓+升壓轉(zhuǎn)換器(D1=D2)

這個(gè)電路結(jié)構(gòu)類似于圖1c，但是工作完全不同。在這種情況下，開關(guān)S1和S2由相同的控制器驅(qū)動(dòng)，同時(shí)接通和斷開。優(yōu)點(diǎn)當(dāng)然是控制器比圖1a和圖1c中的簡(jiǎn)單得多，但比SEPIC控制器復(fù)雜，因?yàn)楸仨汄?qū)動(dòng)兩個(gè)開關(guān)，而且其中只有一個(gè)基于地電位。

驅(qū)動(dòng)方案簡(jiǎn)單是這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)，但是效率差的缺點(diǎn)經(jīng)常妨礙它的使用。由于同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)開關(guān)，而且當(dāng)輸入電壓等于輸出電壓時(shí)，占空比D為50%，使得過多能量在轉(zhuǎn)換器中循環(huán)。例如當(dāng)Vin=Vout(而且D=50%)時(shí)，電感L1兩次導(dǎo)通輸入(輸出)電流。在輸入端，S1在50%的時(shí)間內(nèi)接通，強(qiáng)迫它兩次導(dǎo)通平均輸入電流，當(dāng)然，這個(gè)電流來(lái)自L1；與之類似，在輸出端，CR2在50%的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，再次從電感獲得電流。確實(shí)在它們導(dǎo)通時(shí)，所有四個(gè)開關(guān)元件(S1、CR1、S2和CR2)兩次導(dǎo)通輸入-輸出電流，結(jié)果造成較大功率損耗，使這個(gè)電路在四個(gè)電路中效率最低，但它無(wú)疑是很簡(jiǎn)單的，可用于小電流應(yīng)用中。

電路仿真

1．元件選擇

用一組損耗特性適合用于轉(zhuǎn)換器的元件對(duì)四個(gè)電路進(jìn)行仿真，轉(zhuǎn)換器的輸出為2A 24Vdc，輸入范圍是18到44Vdc。這些參數(shù)與現(xiàn)有的電流和電壓表達(dá)式一起輸入到數(shù)據(jù)表中，然后畫出結(jié)果曲線進(jìn)行比較，工作頻率為100kHz。在有兩個(gè)開關(guān)S1和S2的情況下，接地開關(guān)是一個(gè)N溝道FET，而上面的開關(guān)是一個(gè)P溝道FET，二極管是肖特基型，設(shè)正向電壓為0.6V。電感為150μH 4A，內(nèi)阻是0.1Ω，電容為高質(zhì)量、低阻抗類型，其損耗經(jīng)過計(jì)算表明可以忽略。對(duì)FET的開關(guān)損耗進(jìn)行估計(jì)，假設(shè)開關(guān)時(shí)間是100ns，忽略二極管的開關(guān)損耗，控制電路的損耗假設(shè)也是可以忽略的。

FET的特性如下：

P-溝道：

ON Semi MTD5P06V，RDS(on)=0.45ΩN-溝道：

ON Semi NTD15N06，RDS(on)=0.09Ω

電感值選為150μH，這樣電感和其它元件中的紋波電流大約為20%，可以無(wú)須顧慮電流波形擺動(dòng)而將其看作平頂電流脈沖。

2．損耗計(jì)算

我們?yōu)樗膫€(gè)電路設(shè)計(jì)了一個(gè)電子表格，設(shè)定輸出電壓為24V，電流為2A，然后將輸入電壓以2V間隔遞增計(jì)算其性能。在SEPIC和圖1d(D1=D2)中，因?yàn)閭鬟f函數(shù)(Vout/Vin)在電壓低于或高于輸出電壓時(shí)是一樣的，所以過程可以簡(jiǎn)化。而另外兩個(gè)電路則要取決于輸入是小于還是大于輸出而采用不同的函數(shù)。

因?yàn)镕ET中的導(dǎo)通損耗是電阻性的，所以要計(jì)算導(dǎo)通電流，并進(jìn)行平方然后乘以電阻，最后乘以導(dǎo)通占空比(D)算出開關(guān)周期中的平均損耗。圖1a到圖1d下面的傳遞函數(shù)用于確定每個(gè)元件的工作條件(以仔細(xì)分析每個(gè)電路的工作細(xì)節(jié))。


電路性能

圖2顯示了四個(gè)電路的性能特性，請(qǐng)注意兩個(gè)雙模電路表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，特別是當(dāng)輸入電壓幾乎等于輸出電壓(24V)時(shí)它們的效率。SEPIC效率相當(dāng)高，而且輸入接近輸出電壓時(shí)也是如此。當(dāng)輸入電壓增加時(shí)，它的效率更高，因?yàn)檩斎腚娏鹘档土?。?yīng)注意開關(guān)同時(shí)驅(qū)動(dòng)(D1=D2)的降壓+升壓電路效率較差。圖3是相同的數(shù)據(jù)，但是沒有第四個(gè)電路，所以垂直坐標(biāo)可以放大，以便更詳細(xì)地比較前三個(gè)電路。

注意當(dāng)輸入電壓低于或高于輸出電壓時(shí)，升壓+降壓雙模轉(zhuǎn)換器的效率更高，這是因?yàn)槠交妮斎腚娏骱洼敵鲭娏鹘档土嗽膽?yīng)力。盡管中間電容受紋波電流的影響，但如今有了低阻抗電解電容，它的影響可以不用考慮。

本文結(jié)論

對(duì)四個(gè)電路性能進(jìn)行建模，可得出降壓+升壓雙模轉(zhuǎn)換器樣機(jī)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表明該電路在輸入電壓接近輸出電壓時(shí)有優(yōu)異的性能，而升壓+降壓雙模轉(zhuǎn)換器在更廣的輸入電壓范圍具有很好的性能，比較而言SEPIC電路較簡(jiǎn)單，但效率不太高，兩個(gè)開關(guān)同時(shí)驅(qū)動(dòng)的降壓+升壓電路容易控制(但是不如SEPIC簡(jiǎn)單)，不過效率也比較低。
編輯：博子