準(zhǔn)諧振和零電流開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

為了減小體積和重量，60年代出現(xiàn)了開(kāi)關(guān)頻率高于市電工作頻率的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器。最初，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的工作頻率在20kHz–30kHz之間。70年代以后，隨著先進(jìn)器件（比如高速晶體管）的推廣應(yīng)用，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)到超過(guò)100kHz。但是，隨開(kāi)關(guān)頻率升高而增大的開(kāi)關(guān)損耗，嚴(yán)重影響開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的性能。為了減小開(kāi)關(guān)損耗，出現(xiàn)了開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)1MHz的準(zhǔn)諧振、零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）DC-DC轉(zhuǎn)換器。每個(gè)開(kāi)關(guān)器件均在零電流時(shí)導(dǎo)通與關(guān)斷，這樣開(kāi)關(guān)損耗只與導(dǎo)通電流有關(guān)而與開(kāi)關(guān)頻率無(wú)關(guān)。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，轉(zhuǎn)換器都向輸出端傳輸高頻能量。
目前，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器通常都封裝成高功率密度的磚式模塊，如圖1所示。電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在選擇DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊時(shí)，通常只考慮體積、效率和價(jià)格，但很少考慮電路結(jié)構(gòu)。由于目前轉(zhuǎn)換器采用的電路結(jié)構(gòu)（基本的電源轉(zhuǎn)換電路）有許多種，所以了解轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)，有助于選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換器。
準(zhǔn)諧振和零電流開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)分析
準(zhǔn)諧振和零電流開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)分析
圖1-高密度DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊，根據(jù)輸入電壓、輸出電壓和輸出功率不同，轉(zhuǎn)換器模塊有上千種組合。這里顯示的是體積最小的模塊；尺寸為2.28x1.45x0.5英寸（57.9x36.8x12.7mm），最大輸出功率可達(dá)150W。
本文主要說(shuō)明準(zhǔn)諧振、零電流開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理。還討論各種電路結(jié)構(gòu)的不同特點(diǎn)和某些優(yōu)點(diǎn)。
圖2是一個(gè)準(zhǔn)諧振、零電流開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化電路圖。由于單只固體開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，能量由電源傳輸?shù)截?fù)載，所以這種轉(zhuǎn)換器稱(chēng)為單端正激轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器為準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器，開(kāi)關(guān)在零電流處轉(zhuǎn)換，真正消除了開(kāi)關(guān)損耗。但是，它又與諧振轉(zhuǎn)換器不同，電容器Cr中貯存的能量不能返回到電感Lr中。

圖2-準(zhǔn)諧振、零電流開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化電路圖
該轉(zhuǎn)換器主要由以下元器件組成：
主開(kāi)關(guān)Q1：該開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流波形接近半正弦波，把輸入電源的能量傳輸?shù)絃C電路。
變壓器T1：變壓器實(shí)現(xiàn)初次級(jí)電壓變換和初次級(jí)電氣隔離，以及變壓器漏電感中的貯能，在該功率架構(gòu)中有重要作用。
LC電路：變壓器的漏電感Lr，在圖2中作為一只電感與變壓器次級(jí)繞組串聯(lián)，并且與電容器Cr組成LC電路。電流在電感中形成的貯能為L(zhǎng)rI2，電壓在電容器中形成的貯能為CrV2。
雙二極管輸出整流器：兩只二極管D1和D2強(qiáng)迫能量從輸入端傳輸?shù)捷敵龆?。?dāng)主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，能量從漏電感傳輸?shù)诫娙萜鰿r。由于二極管的整流作用，可防止能量反向傳輸。需要時(shí)，二極管D2可為輸出電感LO提供電流通路。能量由漏電感傳輸?shù)紺r和LO后，D2也可防止反向電壓加到Cr。
磁芯復(fù)位電路：在實(shí)際應(yīng)用中，每個(gè)周期內(nèi)，都希望單端正激轉(zhuǎn)換器的磁芯能夠恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)。這樣才能更有效地利用變壓器磁芯材料的動(dòng)態(tài)磁通擺幅。從而使給定尺寸的磁芯傳輸更大的功率。
低通濾波器：輸出LC濾波器的主要作用是減小負(fù)載兩端的輸出紋波電壓。LO的電感量很大，滿(mǎn)載電流在LO中貯存的能量大于電路中任何其它貯能元件中的貯能。在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，傳輸?shù)截?fù)載的能量必須與從Cr傳輸?shù)哪芰棵}沖相匹配。
準(zhǔn)諧振、零電流開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器通過(guò)能量傳輸循環(huán)完成功率變換。在給定輸入電壓的條件下，每次諧振都傳輸相同的力量，并且這些能量能夠以不同的重復(fù)速率傳輸，因此可以改變傳輸?shù)捷敵龆说目偣β剩ɑ螂妷海?。這些能量又經(jīng)LO、Cr輸出濾波器平均或平滑后，輸出穩(wěn)定的功率（或電壓）。需要輸出更大功率時(shí)，重復(fù)速率將上升。
盡管現(xiàn)有許多轉(zhuǎn)換器電路，但是DC-DC轉(zhuǎn)換器作為模塊式元件的出現(xiàn)，還必須考慮一些電路結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。由于開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的某些固有特性，比如功耗隨著頻率升高而增大，所以沒(méi)有任何一種轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)在各個(gè)方面都優(yōu)于其它轉(zhuǎn)換器。
與諧振轉(zhuǎn)換器不同，準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器只能單向從電源到負(fù)載傳輸能量，效率較高并且具有固有的穩(wěn)定性。
通過(guò)電源主變壓器的漏電感與變壓器次級(jí)側(cè)的諧振電容器耦合，可使零電流開(kāi)關(guān)正常工作。主開(kāi)關(guān)在電流流過(guò)零時(shí)導(dǎo)通與關(guān)斷，因此可消除許多其它開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器具有的電流變化率di/dt高且開(kāi)關(guān)噪聲大等缺點(diǎn)。這種正弦波“軟”開(kāi)關(guān)也可減小方波“硬”開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的元件寄生噪聲。
一種磁芯復(fù)位電路能夠產(chǎn)生鏡象磁化電流，使轉(zhuǎn)換器能工作于B-H磁滯回線的第1和第3象限，如圖3所示。這種磁化電流具有許多工作優(yōu)點(diǎn)，比如變壓器磁芯具有最大磁通量、主開(kāi)關(guān)承受最低電壓應(yīng)力，因此可以選用額定電壓較低的更便宜的主開(kāi)關(guān)器件。這些優(yōu)點(diǎn)有助于提高轉(zhuǎn)換器的效率和功率密度，同時(shí)，還可以降低轉(zhuǎn)換器的成本。其它的磁芯復(fù)位電路，只能使單端正激轉(zhuǎn)換器工作于第1象限，因此轉(zhuǎn)換器的占空比受到一定限制。

圖3-采用鏡象磁化電流的磁芯復(fù)位電路，磁芯可工作于第1和第3象限，磁芯面積得到完全利用。轉(zhuǎn)換器可具有更高的占空比并且可采用較小的復(fù)位開(kāi)關(guān)，減少功耗。
于最近的電路結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)換器功能包含了寬微調(diào)范圍以及容錯(cuò)架構(gòu)。這些轉(zhuǎn)換器可以利用固定電阻，電位器或DAC電壓來(lái)編程輸出電壓從正常電壓的10%至110%。例如，12Vdc輸出可微調(diào)至超過(guò)1.2Vdc至13.2Vdc的范圍。這些轉(zhuǎn)換器同樣有N+M專(zhuān)利的容錯(cuò)架構(gòu)。并聯(lián)陣列內(nèi)其中一個(gè)模塊會(huì)自動(dòng)控制起動(dòng)，其它模塊會(huì)與它同步工作。陣列內(nèi)的模塊在輸入那邊的母線以高速的脈沖來(lái)通信。如果主導(dǎo)模塊失效，另一個(gè)模塊會(huì)自動(dòng)被選為主導(dǎo)，系統(tǒng)仍然繼續(xù)工作，不受影響。