非隔离直流-直流转换器设计提高转换效率

2万 · 2014-8-24 23:03

　　在直流-直流转换器设计中，当输入等于输出时，如果仍然采用输入与输出不等时的转换方法，转换效率将得不到提高，此时可用几种非隔离直流-直流转换方法，包括SEPIC、降压-升压法以及降压升压电路组合法等。本文分析了其中四种方法，并对典型应用中的效率问题进行了特别关注。

　　大多无隔离输入-输出稳压方案都有一个根本缺点，即当输入等于输出时，和输入输出不相等时的情况相比其效率并没有提高。从一些常用方法如SEPIC、C'uk及降压+升压组合电路可以明显得出这个结果，即使当输入电压接近或等于输出电压时，它们仍然采用电压完全不同的开关模式进行处理。

　　如果控制正确，经典的降压和升压级联电路在输入接近或等于输出电压时其效率应该比其它情况更高。这并不是一个新的发现，已有文献记载且在实际中已有应用，但这种应用因为不是直流-直流应用的主流，所以似乎被人们所忽视了，目前主要用于大型主机计算机的高功率三相功率校正系统，故其未被列入常见的直流-直流转换技术之中也并不令人感到惊讶。

　　下面我们将分析四种拓扑结构，即三种降压+升压组合电路和一种单端初级电感转换器(SEPIC)，在每种情况里都采用典型元件，且都包含寄生损耗。这里没有包括传统的降压-升压转换器和C'uk转换器，因为在非隔离电路中输出和输入的极性是相反的。

2万 · 2014-8-24 23:03

　　电路结构

　　图1到图4是这几种电路的原理图，分别为升压+降压、SEPIC、降压+升压以及另一种降压+升压(两个开关同时驱动)电路，其中D1和D2分别是开关S1和S2的占空比。下面是详细的分析。

　　1．升压+降压转换器

　　图1a的电路尽管是四个电路中最复杂的，却有几个优点。它的输入和输出电流被电感平滑处理，减小了输入和输出端的纹波电流以及对电容C1和C3的电流应力。但是这一方案也有缺点，电容C2的电流不管是当Vin小于Vout时来自CR1还是当Vin大于Vout来自S2，它都会有中断，而且它需要两个电感。

2万 · 2014-8-24 23:03

　　虽然电路工作时要两个开关同时驱动(其转换方程与图1d给出的相同)，但最有效的控制方法是在需要升压功能(Vin小于Vout)时通过脉冲宽度调制(PWM)驱动S1，同时保持S2导通，而在需要降压功能(Vin大于Vout)时通过PWM驱动S2，同时保持S1断开。这是一个很好的方案，因为当Vin=Vout时不需要任何开关模式功率处理，S1断开而S2接通，功率只通过直流电路从输入传输到输出，并且当输入近似等于输出时，只需要最小开关模式的功率处理。

　　2．SEPIC

　　图1b显示经典的单端初级电感转换器(SEPIC)。显然，就元件总数而言，这是四个电路中最简单的，只需要一个开关和一个二极管，但它却需要两个电感(或者在一个磁芯上的两个电感绕组)。

2万 · 2014-8-24 23:04

　　如转换方程所示，当占空比D1等于0.5时，输入和输出相等，从输入传输到输出的总功率在开关模式中处理，且所有功率都通过电容C2传输。因此需要仔细考虑C2的纹波电流处理功能，C2可以是低阻抗电解质类型，如今市面上有很多性能优异的这类元件可供选择。它的终端电压等于输入电压，考虑到L1连到输入且L2连接到地同时电感上的平均电压必须为零后，这个结论是很显然的。笔者认为业界并没有充分利用SEPIC，这可能是由于它具有非经典配置，因而与简单的降压或升压电路相比设计人员不得不花费更多精力进行分析和考虑的缘故。

　　3．降压+升压转换器

　　图1c和图1a的电路功能很相似，这里降压部分在前，升压部分在后，因此名为“降压+升压”转换器，和“升压＋降压”正好相反。后面可以看到，当输入电压接近输出电压时，它是效率最高的，当Vin=Vout时，不需要任何开关模式处理，S1接通，S2断开，另一个优点是它只需要一个电感。缺点是输入电流和输出电流都是不连续的，所以必须选择输入和输出电容，使它们能够处理纹波电流。像图1a中的电路一样，当Vin小于Vout时，S1保持接通，S2作为一个PWM升压转换器。当Vin大于Vout时，S1作为一个PWM降压转换器，S2断开。

2万 · 2014-8-24 23:04

　　4．降压+升压转换器(D1=D2)

　　这个电路结构类似于图1c，但是工作完全不同。在这种情况下，开关S1和S2由相同的控制器驱动，同时接通和断开。优点当然是控制器比图1a和图1c中的简单得多，但比SEPIC控制器复杂，因为必须驱动两个开关，而且其中只有一个基于地电位。

2万 · 2014-8-24 23:04

　　驱动方案简单是这个电路的优点，但是效率差的缺点经常妨碍它的使用。由于同时驱动两个开关，而且当输入电压等于输出电压时，占空比D为50%，使得过多能量在转换器中循环。例如当Vin=Vout(而且D=50%)时，电感L1两次导通输入(输出)电流。在输入端，S1在50%的时间内接通，强迫它两次导通平均输入电流，当然，这个电流来自L1；与之类似，在输出端，CR2在50%的时间内导通，再次从电感获得电流。确实在它们导通时，所有四个开关元件(S1、CR1、S2和CR2)两次导通输入-输出电流，结果造成较大功率损耗，使这个电路在四个电路中效率最低，但它无疑是很简单的，可用于小电流应用中。

2万 · 2014-8-24 23:05

　电路仿真

　　1．元件选择

　　用一组损耗特性适合用于转换器的元件对四个电路进行仿真，转换器的输出为2A 24Vdc，输入范围是18到44Vdc。这些参数与现有的电流和电压表达式一起输入到数据表中，然后画出结果曲线进行比较，工作频率为100kHz。在有两个开关S1和S2的情况下，接地开关是一个N沟道FET，而上面的开关是一个P沟道FET，二极管是肖特基型，设正向电压为0.6V。电感为150μH 4A，内阻是0.1Ω，电容为高质量、低阻抗类型，其损耗经过计算表明可以忽略。对FET的开关损耗进行估计，假设开关时间是100ns，忽略二极管的开关损耗，控制电路的损耗假设也是可以忽略的。

　　FET的特性如下：

　　P-沟道：

　　ON Semi MTD5P06V，RDS(on)=0.45ΩN-沟道：

　　ON Semi NTD15N06，RDS(on)=0.09Ω

　　电感值选为150μH，这样电感和其它元件中的纹波电流大约为20%，可以无须顾虑电流波形摆动而将其看作平顶电流脉冲。

2万 · 2014-8-24 23:07

　2．损耗计算

　　我们为四个电路设计了一个电子表格，设定输出电压为24V，电流为2A，然后将输入电压以2V间隔递增计算其性能。在SEPIC和图1d(D1=D2)中，因为传递函数(Vout/Vin)在电压低于或高于输出电压时是一样的，所以过程可以简化。而另外两个电路则要取决于输入是小于还是大于输出而采用不同的函数。

　　因为FET中的导通损耗是电阻性的，所以要计算导通电流，并进行平方然后乘以电阻，最后乘以导通占空比(D)算出开关周期中的平均损耗。图1a到图1d下面的传递函数用于确定每个元件的工作条件(以仔细分析每个电路的工作细节)。

2万 · 2014-8-24 23:08

　　电路性能

　　图2显示了四个电路的性能特性，请注意两个双模电路表现出的优异性能，特别是当输入电压几乎等于输出电压(24V)时它们的效率。SEPIC效率相当高，而且输入接近输出电压时也是如此。当输入电压增加时，它的效率更高，因为输入电流降低了。应注意开关同时驱动(D1=D2)的降压+升压电路效率较差。图3是相同的数据，但是没有第四个电路，所以垂直坐标可以放大，以便更详细地比较前三个电路。

　　注意当输入电压低于或高于输出电压时，升压+降压双模转换器的效率更高，这是因为平滑的输入电流和输出电流降低了元件的应力。尽管中间电容受纹波电流的影响，但如今有了低阻抗电解电容，它的影响可以不用考虑。

2万 · 2014-8-24 23:08

　　本文结论

　　对四个电路性能进行建模，可得出降压+升压双模转换器样机实验室测试数据。数据表明该电路在输入电压接近输出电压时有优异的性能，而升压+降压双模转换器在更广的输入电压范围具有很好的性能，比较而言SEPIC电路较简单，但效率不太高，两个开关同时驱动的降压+升压电路容易控制(但是不如SEPIC简单)，不过效率也比较低。

非隔离直流-直流转换器设计提高转换效率

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