- 基于應(yīng)用非隔離直流的直流轉(zhuǎn)換器
- 應(yīng)用降壓+升壓雙模轉(zhuǎn)換器
- 應(yīng)用升壓+降壓雙模轉(zhuǎn)換器
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(wèn)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(méi)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_(kāi)關(guān)模式進(jìn)行處理。
圖1A:升壓+降壓轉(zhuǎn)換器原理圖。
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(méi)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(kāi)關(guān)同時(shí)驅(qū)動(dòng))電路,其中D1和D2分別是開(kāi)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。
圖1B:SEPIC轉(zhuǎn)換器原理圖。
雖然電路工作時(shí)要兩個(gè)開(kāi)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(guò)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(guò)PWM驅(qū)動(dòng)S2,同時(shí)保持S1斷開(kāi)。這是一個(gè)很好的方案,因?yàn)楫?dāng)Vin=Vout時(shí)不需要任何開(kāi)關(guān)模式功率處理,S1斷開(kāi)而S2接通,功率只通過(guò)直流電路從輸入傳輸?shù)捷敵?,并且?dāng)輸入近似等于輸出時(shí),只需要最小開(kāi)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(kāi)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)。
圖1C:降壓+升壓轉(zhuǎn)換器原理圖。
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_(kāi)關(guān)模式中處理,且所有功率都通過(guò)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(lèi)型,如今市面上有很多性能優(yōu)異的這類(lèi)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(méi)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(kāi)關(guān)模式處理,S1接通,S2斷開(kāi),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(kāi)。
4.降壓+升壓轉(zhuǎn)換器(D1=D2)
這個(gè)電路結(jié)構(gòu)類(lèi)似于圖1c,但是工作完全不同。在這種情況下,開(kāi)關(guān)S1和S2由相同的控制器驅(qū)動(dòng),同時(shí)接通和斷開(kāi)。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(kāi)關(guān),而且其中只有一個(gè)基于地電位。
圖1D:降壓+升壓轉(zhuǎn)換器原理圖。
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(huà)出結(jié)果曲線進(jìn)行比較,工作頻率為100kHz。在有兩個(gè)開(kāi)關(guān)S1和S2的情況下,接地開(kāi)關(guān)是一個(gè)N溝道FET,而上面的開(kāi)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(lèi)型,其損耗經(jīng)過(guò)計(jì)算表明可以忽略。對(duì)FET的開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)行估計(jì),假設(shè)開(kāi)關(guān)時(shí)間是100ns,忽略二極管的開(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(méi)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(kāi)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(guò)效率也比較低。