20170402-DC-DC功率变换器的两种工作模式

双向 DC-DC 变换器简介双向 DC-DC 变换器是一种可以实现能量在两个方向上传输的电路，能够将能量从一个电源转移到另一个电源。

它在电动车、太阳能系统、电池储能系统等应用中得到广泛应用。

本文将介绍双向 DC-DC 变换器的原理、工作模式和应用。

原理双向 DC-DC 变换器通过两个独立的电感和开关器件实现能量的双向传输。

其拓扑结构常见的有升降压式和升压式两种。

在升降压式拓扑中，输入电源可以比输出电源的电压高或低；而在升压式拓扑中，输入电源的电压必须比输出电源的电压高。

下面介绍升降压式和升压式拓扑的工作原理：升降压式拓扑升降压式拓扑常用的桥式电感拓扑是最常见的升降压式拓扑。

其电路图和工作原理如下：升降压式拓扑升降压式拓扑在升降压式拓扑中，当开关 SW1 和 SW2 关闭时，电感 L1 储存电能；当 SW1和 SW2 开启时，通过二极管 D1 转移到电容 C1 上。

同样，当开关 SW3 和 SW4 关闭时，电感 L2 储存电能；当 SW3 和 SW4 开启时，通过二极管 D2 转移到电容 C2 上。

升压式拓扑升压式拓扑常用的桶式电感拓扑是最常见的升压式拓扑。

其电路图和工作原理如下：升压式拓扑升压式拓扑在升压式拓扑中，当开关 S1 关闭时，电感 L1 储存电能；当 S1 开启时，通过二极管 D1 转移到电感 L2 上。

此时，电容 C1 上的电压逐渐升高，最终达到所需的输出电压。

工作模式双向 DC-DC 变换器有三种工作模式：降压模式、升压模式和反向电流保护模式。

降压模式降压模式是指输入电压高于输出电压的情况。

在此模式下，开关器件周期性地开启和关闭，以维持输出电压在设定范围内。

当开关器件关闭时，电感和电容储存能量；而当开关器件打开时，能量从电感和电容中释放，通过二极管传递到输出端。

这个过程会不断循环，以保持输出电压稳定。

升压模式升压模式是指输入电压低于输出电压的情况。

在此模式下，开关器件周期性地开启和关闭，以提供所需的输出电压。

双向dc-dc变换器是什么双向dcdc变换器原理双向直流变换器双向DC-DC变换器是实现直流电能双向流动的装置，主要应用于混合动力汽车和直流不间断供电系统等双向直流变换器采用经典BUCK/BOOST电路拓扑，具备升降压双向变换功能，即升降压斩波电路。

能量从C1流向C2时，直流变换器工作在BOOST模式下，实现升压功能；能量从C2流向C1时，直流变换器工作在BUCK模式下，实现降压功能。

双向直流变换器功能描述：恒压充、放电机转换，恒功率充、放电及转换等；电池侧和直流母线侧双向升降压；l 兼容多种不同配置和型号的蓄电池；电池侧接光伏电池板时具备MPPT功能；多台变流器并联运行控制功能（主从控制，下垂控制）；双向直流变换器原理所谓双向DC-DC变换器就是DC-DC变换器的双象限运行，它的输入、输出电压极性不变，但输入、输出电流的方向可以改变。

变换器的输出状态可在V o-lo 平面的一、二象限内变化。

变换器的输入、输出端口调换仍可完成电压变换功能，功率不仅可以从输入端流向输出端，也能从输出端流向输入端。

图1-1为BDC的二端口示意图。

从各种基本的变换器拓扑来看，用双向开关代替单向开关，就可以实现能量的双向流动。

双向DC-DC变换器实现了能量的双向传输，在功能.上相当于两个单向DC-DC变换器，是典型的机两用”设备。

在需要双向能量流动的应用场合可以大幅度减轻系统的体积重量及成本，有重要研究价值。

双向DC-DC变换器的应用在一一个系统中的直流电源(或直流源性负载)间需要双向能量流动的场合都需要双向DC-DC变换器。

因此直流电机驱动系统、不停电电源系统、航空航天电源系统、太阳能(风能)发电系统、能量储存系统(如超导储能)、电动汽车系统等系统中都有其适用场合。

下面列举几个预研的或已应用的实例，以使BDC的概念更清晰。

双向直流变换器因公环境介绍双向DC-DC变换器是能够根据能量的需要调节能量双向传输的直流到直流的变换器。

dcdc转换器原理DC-DC转换器是一种将一种直流电压转换成另一种直流电压的电子装置。

它通常由一个开关电路和一个储能电感组成，可以将高电压的直流电转化为低电压的直流电，也可以将低电压的直流电转化为高电压的直流电，具有普遍的应用。

下面，我们将从DC-DC转换器的原理出发来讲述它的工作原理和具体的实现过程。

1. PWM控制DC-DC转换器是通过PWM控制来实现的。

PWM控制是指记录一个给定周期内的占空比，然后依据这个占空比来控制输出电压的平均值。

2. 基本电路DC-DC转换器基本电路图由开关、储能电感、输出滤波电容等器件组成。

而在使用中，开关也就成了MOS管。

3. 工作方式DC-DC转换器根据开关的切换频率，分为脉冲模式和连续模式。

a. 脉冲模式在脉冲模式下，当MOS管开启时，电感中的电流逐渐增加，储能到电感中。

当MOS管关闭时，这个电流将绕过回路，去激励输出负载。

b. 连续模式当MOS管开启时间足够长时，电流是连续的。

如果调整开启时间短，就达到了脉冲模式。

在连续模式下，开关频率越高，输出电压的纹波越小。

4. 输出电压输出电压的大小，与开关时的时间和一定电感与负载的比例有关。

我们可以通过精确定义PWM信号来控制输出电压的稳定性。

5. 应用DC-DC转换器是用来处理不同电压方案的一种有效方法。

在很多应用中，例如车载电子、手机、笔记本，都有DC-DC转换器的应用。

总之，DC-DC转换器通过控制开关来实现电压升降的目的，直接作用对象是输入和输出电压，为其他电器和代替传统的线性稳压技术提供了先进的电源解决方案。

DC/DC 变换器轻载时三种工作模式的原理及优缺点目前高频高效的DC/DC 变换器的应用越来越广泛。

通常在满输出负载时，DC/DC 变换器工作于CCM 即连续电流模式。

但是，当系统的输出负载从满载到轻载然后到空载变化的过程中，系统的工作模式也会发生相应的改变。

下面我们将以降压型Buck 变换器为例说明DC/DC 变换器轻载时的工作模式。

降压型Buck 变换器在轻载有三种工作模式：突发模式、跳脉冲模式和强迫连续模式。

本文我们将详细的阐述这三种模式的工作原理及优缺点。

在实际的应用中，应该根据系统对输出纹波和效率的具体要求来选取相应的工作模式。

1、跳脉冲模式对于恒定频率的常规的非同步Buck 控制器，通常电感的电流工作于CCM连续电流模式，电感的平均电流即为输出的负载电流。

当负载电流降低时，电感的平均电流也将降低；当负载电流降低时一定值，变换器进入临界电流模式。

此时，若负载电流进一步的降低，电感的电流回到0 后，开关周期还没有结束，由于二极管的反向阻断作用，电感的电流在0 值处保持一段时间，然后开关周期结束，进入下一个开在周期，此时变换器为完全的非连续电流模式。

变换器进入非连续电流模式后，若负载电流仍然进一步的降低，为了维持输出电压的调节，高端的开关管的开通时间将减小，直到达到控制器的最小导通时间。

高端的开关管的开通时间达到控制器的最小导通时间后，若负载电流仍然的降低，控制器就必须屏蔽掉即跳掉一些开关脉冲，以维持输出电压的调节。

这种控制方法即为跳脉冲模式。

同步的Buck 变换器检测下管的电流，当下管的电流接近于0 时，系统就工作在非同步的方式，也就是下管不工作，依靠下管内部寄生的反并联二极管，提供续流回路。

图1：跳脉冲模式跳脉冲模式可以在最宽的输入电流范围内提供恒定频率的不连续电流操作，防止反向电感器的电流。

由于控制器允许调节器跳掉一些不需要的脉冲，相比于连续模式操作，提高轻载的效率，但其轻载的工作效率不如突发模式操作，其轻载的输出纹波不如连续模式操作。

开关变换器和开关电源电源有如人体的心脏，是所有电设备的动力。

标志电源特性的参数有功率、电压、频率、噪声及带负载时参数的变化等；在同一参数要求下，又有体积、重量、形态、效率、可靠性等指标。

在有些情况下，一般电力要经过转换才能符合使用的需要。

例如，交流转换成直流，高电压变成低电压等。

按电力电子的习惯称谓，AC-DC（理解成AC转换成DC，其中AC表示交流电，DC表示直流电）称为整流（包括整流及离线式变换），DC-AC称为逆变，AC-AC称为交流-交流直接变频（同时也可以是变压），DC-DC称为直流-直流变换。

为达到转换目的，手段是多样的。

20世纪60年代前，研发了半导体器件，并以次器件为主实现这些转换。

电力电子学科从此形成并有了近30年的迅速发展。

所以，广义地说，凡半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一形态的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称开关电源（Switching Power Supply）。

开关电源主要组成部分是DC-DC变换器，因为它是转换的核心，涉及频率变换。

目前DC-DC变换中所用的频率提高最快，它在提高频率中碰到的开关过程、损失机制，为提高效率而采用的方法，也可作为其他转换方法参考。

常见到离线式开关变换器（Off-line Switching Converter）名称，即AC-DC变换，也常称开关整流器；它不仅包含整流，而且整流后又做了DC-DC变换。

所谓离线并不是变换器与市电线路无关的意思，只是变换器中因有高频变压器隔离，使输出的直流与市电隔离，所以称离线式开关变换器。

稳压电源的分类及基本知识开关型交流稳压电源它应用于高频脉宽调制技术，与一般开关电源的区别是它的输出量必须是与输入侧同上频、同相的交流电压。

它的输出电压波型有准方波、梯型波、正弦波等，市场上的不间断电源（UPS）抽掉其中的蓄电源和充电器，就是一台开关型交流稳压电源的稳压性好，控制功能强，易于实现智能化，是非常具有前途的交流稳压电源。

DC-DC电源拓扑及其工作模式讲解一、DC-DC电源基本拓扑分类：开关电源的三种基本拓扑结构有Buck、Boost、Buck-boost（反极性Boost）。

如果电感连接到地，就构成了升降压变换器，如果电感连接到输入端，就构成了升压变换器。

如果电感连接到输出端，就构成了降压变换器。

基本拓扑图如下：1.Buck2.Boost3.Buck-Boost二、DC-DC复杂拓扑结构1.反激隔离电源（FlyBack）另外有些隔离电源拓扑就是通过基本拓扑增加变压器或者变化得到的，例如反激隔离电源（FlyBack）。

2.Buck+Boost拓扑本质是用一个降压“加上”一个升压，来实现升降压。

SEPIC拓扑：集成了Boost和Flyback拓扑结构3.Cuk、Sepic、Zeta拓扑通过基本拓扑直接组合，形成了三个有实用价值的拓扑结构：Cuk、Sepic、Zeta。

Cuk的本质是Boost变换器和Buck变换器串联，Sepic的本质是Boost和Buck-Boost串联，Zeta可以看成Buck和Buck-Boost串联。

但是里面有些细节按照电流的方向在演进的过程中调整了二极管的方向，两极串联拓扑节省了复用的器件。

通过这样串联和演进，产生了新的三个电源拓扑。

同时，如果我们把同步Buck拓扑串联同步Boost可以形成四开关Buck-Boost拓扑。

4.四开关Buck-Boost拓扑同时，如果我们把同步Buck拓扑串联同步Boost可以形成四开关Buck-Boost拓扑5.反激、正激、推挽拓扑的演进利用变压器代替电感，可以把Boost演进为一个新拓扑FlyBack即反激变换器（反激的公式来看又是很像Buck-Boost，这里变压器不同于电感，也有说法会说反激是Buck-Boost变过来的）。

可以把Buck电路的开关通过一个变压器进行能量传递，就形成正激变换器。

将两个正激变换器进行并联，可以形成推挽拓扑。

正激的变压器，是直接输送能量过去，而不是像反激变压器那样传递能量。

DC-DC 功率变换技术产生的原因普高（杭州）科技开发有限公式 张兴柱 博士实现高功率密度开关电源的关键是其功率变换电路的高效率和小型化。

为了实现高的功率变换效率，构成的功率变换电路中，只能采用电抗性元件和工作于开关方式的电子器件。

其中电抗性元件主要有功率电感、功率电容和功率变压器，它们用来实现储能、滤波和隔离；开关方式工作的电子器件主要有功率MOSFET 、功率IGBT 和功率二极管等，它们用来实现对输出电压、输出电流和输出功率的变换及控制。

为了实现小的功率变换电路体积，这些电子开关的工作频率应当越高越好，以便尽量减小电抗性元件的体积。

所以一个合理的功率变换电路只能是由功率电子开关和功率电抗性元件组成的高频开关功率变换电路。

在输入和输出都为直流时的高频开关功率变换电路，也叫DC-DC 功率变换器，是所有功率电子产品的功率变换基础。

根据上面的分析，DC-DC 功率变换器的一般结构可用图1表示。

除了蓝框内的功率变图1 DC-DC 功率变换器的一般结构换电路外，还有三个输入。

其中两个为环境变量，它们分别是输入电压和负载电流；一个是控制驱动信号，多为频率固定、宽度可调的（PWM ）电压信号。

通过改变控制电压信号的宽度，来改变DC-DC 功率变换电路的输出电压，是实现输出稳压的关键。

用解析法，可以将上述DC-DC 功率变换电路的稳态输入/输出电压增益，写成：),,(K R D M V V go= （1） 其中：sonT T D =，为控制信号的稳态占空比； on T ，为控制信号的稳态宽度；s T ，为控制信号的周期；ooI V R =，为负载端的等效电阻；),,(R f L K K s =，是一个参变量；L ，为输出滤波电感；ss T f 1=，为开关频率。

从（1）式，可知，当输入电压或负载电流变化时，其输出电压在占空比不变时，也将发生变化。

为了保持输出电压不随输入电压和负载的变化而变化，我们可以改变占空比。