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    DC/DC转换原理

    Click: 106  Date: 17/10/2022 10:37:46 AM


       电源转换器有望高效、经济、紧凑且可靠 [1]。此外,尽管输入电压在很宽的范围内变化,但对输出电压波动的容限应该非常低。这是他们迎合的大量应用的要求——包括但不限于各种规模的电源,从笔记本电脑到航天器控制系统,以及从电机驱动到电信行业。

      基本概念仍然是稳压输出电压的产生。什么转换技术可以实现这种行为?继续阅读以了解有关 DC-DC 转换原理的更多信息。

      转换器电路概述

      在转换器电路中,开关控制功率从输入侧到输出侧的动态传输。它们要么处于完全开启状态,要么处于完全关闭状态,状态之间的转换时间很短 [2]。

      用作开关器件的半导体元件可以是:

      双极结型晶体管 (BJT)金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)门极可关断晶闸管 (GTO)快恢复二极管这些如图 1 所示。

      组件上的电压波形通常在本质上是周期性的,具有脉宽调制 (PWM) 方波、矩形波或这些的组合。类似地,电流波形可以是三角形到梯形。

      大量的转换器电路是可用的,它们能够增加或减少输入电压的幅度以及可能反转其极性。

      理想的DC-DC转换器表现出 100% 的效率,但在实践中,观察到 70% 到 95% 的效率。这可以通过使用消耗几乎可以忽略不计的功率的开关模式或斩波电路来实现。工作原理是根据需要升压或降压。

      具有一种或另一种形式的线圈的其他变体通常是升压电路和降压电路或其应用电路的组合。然而,这些中的基本转换原理主要是共振的概念和一些磁性方面。

      DC-DC 转换技术

      任何开关DC-DC转换器工作的基础是电子转换原理。通常,使用开关技术有助于电子转换器的实际工作。

      切换涉及将一个直流电压转换为另一个直流电压 - 它可以高于或低于输入,并且可以通过暂时存储输入能量,然后根据要求以受控方式将该能量释放到不同电压的输出来实现.这主要受两个重要概念的支配:共振和磁学。

      电感器和电容器等无源器件网络是大多数电源转换器的一部分。这些无源元件形成了一个谐振回路,该谐振回路根据谐振的概念被调谐以在特定频率下谐振。图 2 显示了一个示例谐振回路电路。

      谐振模式下的转换器操作定义为电路输入和输出之间的阻抗处于最小点 [3] 的点。

      在正弦电压或电流的零交叉点附近切换的能力确保了由于功率损耗降低而提高的效率。这是可能的,因为将电容器和电感器等电抗元件放置在靠近开关的位置,以便产生必要的正弦电压或电流。

      在漏极到源极电压几乎可以忽略不计时进行切换(零电压切换或 ZVS),并在流过开关的电流量可忽略不计的情况下在切换状态之间转换(零电流切换或 ZCS)可确保降低开关损耗。此原理也称为软开关,它还有助于减少电磁干扰 (EMI)。

      磁性设计方面构成了转换器设计的一个组成部分,并且大多是不可分割的。因此,从早期设计阶段(如预期转换器的建模)开始,建模和设计与之相关的必要磁性至关重要。这一阶段有助于了解所需的磁性元件及其集成后的操作,并为开关转换器的磁性器件设计提供见解。

      对转换器至关重要的关键磁性元件之一是电感器。电感器的类型,如单绕组、多绕组或耦合电感器是根据转换器的要求确定的,并开始设计。目标是根据适当转换器操作所需的磁性优化设计,并确保卓越的性能。最小化总损耗是磁性设计的关键目标,设计过程将最小铜损等因素作为基本约束。

      关键要点

      理想的DC-DC转换器表现出 100% 的效率,但在实践中,观察到 70% 到 95% 的效率。任何开关 DC-DC 转换器工作的基础是电子转换原理。切换涉及将一个直流电压转换为另一个直流电压 - 它可以高于或低于输入,并且可以通过暂时存储输入能量,然后根据要求以受控方式将该能量释放到不同电压的输出来实现.