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直流直流(DCC)变换————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：第四章直流—直流（DC-DC）变换将大小固定的直流电压变换成大小可调的直流电压的变换称为DC-DC变换，或称直流斩波。
直流斩波技术可以用来降压、升压和变阻，已被广泛应用于直流电动机调速、蓄电池充电、开关电源等方面，特别是在电力牵引上，如地铁、城市轻轨、电气机车、无轨电车、电瓶车、电铲车等。
这类电动车辆一般均采用恒定直流电源（如蓄电池、不控整流电源）供电，以往采用变阻器来实现电动车的起动、调速和制动，耗电多、效率低、有级调速、运行平稳性差等。
采用直流斩波器后，可方便地实现了无级调速、平稳运行，更重要的是比变阻器方式节电（20～30）%，节能效果巨大。
此外在AC-DC变换中，还可采用不控整流加直流斩波调压方式替代晶闸管相控整流，以提高变流装置的输入功率因数，减少网侧电流谐波和提高系统动态响应速度。
DC-DC变换器主要有以下几种形式：（1）Buck（降压型）变换器；（2）Boost（升压型）变换器；（3）Boost-Buck（升-降压型）变换器；（4）Cúk变换器；（5）桥式可逆斩波器等。
其中Buck和Boost为基本类型变换器，Boost-Buck和Cúk为组合变换器，而桥式可逆斩波器则是Buck变换器的拓展。
此外还有复合斩波和多相、多重斩波电路，它们更是基本DC-DC 变换器的组合。
4.1 DC-DC变换的基本控制方式DC-DC变换是采用一个或多个开关（功率开关器件）将一种直流电压变换为另一种直流电压。
当输入直流电压大小恒定时，则可控制开关的通断时间来改变输出直流电压的大小，这种开关型DC-DC变换器原理及工作波形如图4-1所示。
如果开关K导通时间为，关断时间为，则在输入电压E恒定条件下，控制开关的通、断时间、的相对长短，便可控制输出平均电压U0的大小，实现了无损耗直流调压。
文章编号：DC-DC变换基本电路和控制方法综述作者（江南大学物联网工程学院，江苏省无锡市 214122）摘要：近20年来，随着科学技术日新月异的发展，特别是功率开关器件的发展，DC-DC变换的拓扑结构和控制技术取得了很大的成就。
本文主要是对当前DC-DC变换电路——隔离型和非隔离型、两端口和多端口、单向变换和双向变换和控制方法——软开关、移相PWM、同步整流、多电平技术的发展与现状进行综述，并讨论了DC-DC变换器未来发展趋势。
关键词：基本电路;控制方法；隔离型；双向；同步整流中图分类号：文献标识码：1引言DC-DC变换器是将不可调的直流电压转变为可调或固定的直流电压，是一个用开关调节方式控制电能的变换电路，这种技术被广泛应用于各种开关电源、直流调速、燃料电池、太阳能供电和分布式电源系统中。
上个世纪，随着功率开关器件的发展，变换器拓扑和变换技术已经取得了很大的成就，并且已经发展到一个相当高的水平。
在DC-DC变换器演化过程中，离不开各种直流变换技术，各种新技术的产生和发展很大程度上影响了变换器拓扑的演化。
高功率密度、高效率、高性能、高可靠性以及低成本、小体积是DC-DC变换器的发展方向，各种变换技术也都围绕着提高变换器性能而相继被提出。
本文围绕着DC-DC变换的基本电路——隔离型和非隔离型、单端口和多端口、单向变换和双向变换以及控制方法——软开关、同步整流、移相PWM技术、多电平技术的发展和现状进行综述，并展望直流变换器未来的发展趋势。
2隔离型和非隔离型主要电路2.1非隔离型主要电路DC-DC非隔离型主要电路包括BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK等电路。
2.1.1降压型BUCK电路降压型BUCK电路如下图2.1所示。
工作原理为：当开关晶体管导通时，二极管关断，输入端直流电源Vi将功率传送到负载，图2.1降压型BUCK电路拓扑并使电感储能；当开关晶体管关断时，二极管导通，续流，电感向负载释放能量。
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。
第四章直流—直流（DC-DC）变换将大小固定的直流电压变换成大小可调的直流电压的变换称为DC-DC变换，或称直流斩波。
直流斩波技术可以用来降压、升压和变阻，已被广泛应用于直流电动机调速、蓄电池充电、开关电源等方面，特别是在电力牵引上，如地铁、城市轻轨、电气机车、无轨电车、电瓶车、电铲车等。
这类电动车辆一般均采用恒定直流电源（如蓄电池、不控整流电源）供电，以往采用变阻器来实现电动车的起动、调速和制动，耗电多、效率低、有级调速、运行平稳性差等。
采用直流斩波器后，可方便地实现了无级调速、平稳运行，更重要的是比变阻器方式节电（20～30）%，节能效果巨大。
此外在AC-DC变换中，还可采用不控整流加直流斩波调压方式替代晶闸管相控整流，以提高变流装置的输入功率因数，减少网侧电流谐波和提高系统动态响应速度。
DC-DC变换器主要有以下几种形式：（1）Buck（降压型）变换器；（2）Boost（升压型）变换器；（3）Boost-Buck（升-降压型）变换器；（4）Cúk变换器；（5）桥式可逆斩波器等。
其中Buck和Boost为基本类型变换器，Boost-Buck和Cúk为组合变换器，而桥式可逆斩波器则是Buck变换器的拓展。
此外还有复合斩波和多相、多重斩波电路，它们更是基本DC-DC 变换器的组合。
4.1 DC-DC变换的基本控制方式DC-DC变换是采用一个或多个开关（功率开关器件）将一种直流电压变换为另一种直流电压。
当输入直流电压大小恒定时，则可控制开关的通断时间来改变输出直流电压的大小，这种开关型DC-DC变换器原理及工作波形如图4-1所示。
如果开关K导通时间为，关断时间为，则在输入电压E恒定条件下，控制开关的通、断时间、的相对长短，便可控制输出平均电压U0的大小，实现了无损耗直流调压。
从工作波形来看，相当于是一个将恒定直流进行“斩切”输出的过程，故称斩波器。
斩波器有两种基本控制方式：时间比控制和瞬时值控制。
DC/DC电源指直流转换为直流的电源，从这个定义上看，LDO(低压差线性稳压器)芯片也应该属于DC/DC电源，但一般只将直流变换到直流，且这种转换是通过开关方式实现的电源称为DC/DC电源。
一、工作原理要理解DC/DC的工作原理，首先得了解一个定律和开关电源的三种基本拓扑(不要以为开关电源的基本拓扑很难，你继续往下看)。
1、电感电压伏秒平衡定律一个功率变换器，当输入、负载和控制均为固定值时的工作状态，在开关电源中，被称为稳态。
稳态下，功率变换器中的电感满足电感电压伏秒平衡定律：对于已工作在稳态的DC/DC功率变换器，有源开关导通时加在滤波电感上的正向伏秒一定等于有源开关截止时加在该电感上的反向伏秒。
是不是觉得有点难理解，接着往下看其公式推导过程。
伏秒平衡方程推算过程：电感的基本方程为：V(t)=L*dI(t)/dt,即电感两端的电压等于电感感值乘以通过电感的电流随时间的变化率。
根据上述方程，可得dI(t)=1/L∫V(t)dt,对于稳态的一个功率变换器，其应保证在一个周期内电感中的能量充放相等，反映在V-t图中即表示在一个周期内其面积之和为0，所以得出电感电压伏秒平衡定律。
此处可参考：DC/DC电源详解第8页(如果此处还无法理解，可先阅读下面开关电源三种基本拓扑的工作原理)。
扩展资料：1、当一个电感突然加上一个电压时，其中的电流逐渐增加，并且电感量越大，其电流增加越慢；2、当一个电感上的电流突然中断，会在电感两端产生一个瞬间高压，并且电感量越大该电压越高；3、电容的基本方程为：I(t)=dV(t)/(C*dt)，当一电流流经电容时，电容两端电压逐渐增加，并且电容量越大电压增加越慢；2、开关电源三种基本拓扑2.1、BUCK降压型图1 BUCK型基本拓扑简化工作原理图图2 电感V-t特性图BUCK降压型基本拓扑原理如图1所示，其电感L1的V-t特性图如图2。
当PWM驱动MOS管Q1导通时，忽略MOS管的导通压降，此时电感两端电压保持不变为Vin -Vo，根据电感的基本方程：V(t)=L dI(t)/dt,电感电流将呈线性上升，此时电感正向伏秒为：V Ton =(Vin-Vo)*Ton。
DC/DC变换器的PWM控制技术内容:DC/DC变换器广泛应用于便携装置（如笔记本计算机、蜂窝电话、寻呼机、PDA等）中。
它有两种类型，即线性变换器和开关变换器。
开关变换器因具有效率高、灵活的正负极性和升降压方式的特点，而备受人们的青睐。
开关稳压器利用无源磁性元件和电容电路元件的能量存储特性，从输入电压源获取分离的能量，暂时地把能量以磁场形式存储在电感器中，或以电场形式存储在电容器中，然后将能量转换到负载，实现DC/DC 变换。
实现能量从源到负载的变换需要复杂的控制技术。
现在，大多数采用PWM（脉冲宽度调制）技术。
从输入电源提取的能量随脉宽变化，在一固定周期内保持平均能量转换。
PWM的占空因数（δ）是“on”时间（ton，从电源提取能量的时间）与总开关周期（T）之比。
对于开关稳压器，其稳定的输出电压正比于PWM占空因数，而且控制环路利用“大信号”占空因数做为对电源开关的控制信号。
开关频率和储能元件DC/DC变换器中，功率开关和储能元件的物理尺寸直接受工作频率影响。
磁性元件所耦合的功率是：P （L）=1/2（LI2f）。
随着频率的提高，为保持恒定的功率所要求的电感相应地减小。
由于电感与磁性材料的面积和线匝数有关，所以可以减小电感器的物理尺寸。
电容元件所耦合的功率是：P(c)=1/2(CV2f)，所以储能电容器可实现类似的尺寸减小。
元件尺寸的减小对于电源设计人员和系统设计人员来说都是非常重要的，可使得开关电源占用较小的体积和印刷电路板面积。
开关变换器拓扑结构开关变换器的拓扑结构系指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关元件和储能元件的不同配置。
很多不同的开关稳压器拓扑结构可分为两种基本类型：非隔离型（在工作期间输入源和输出负载共用一个共同的电流通路）和隔离型（能量转换是用一个相互耦合磁性元件（变压器）来实现的，而且从源到负载的耦合是借助于磁通而不是共同的电器）。
变换器拓扑结构是根据系统造价、性能指标和输入线/输出负载特性诸因素选定的。
DC-DC变换器的基本手段和分类作者：时间：2007-12-13 来源:电子元器件网浏览评论推荐给好友我有问题个性化定制关键词：DC-DC变换器电源把直流电压变换为另一数值的直流电压最简单方法是串联一个电阻，这样不涉及变频的问题，显得很简单，但是效率低。
用一个半导体功率器件作为开关，使带有滤波器（L或/和C）的负载线路与直流电压一会儿接通，一会儿断开，则负载上也得到另一个直流电压，这就是DC-DC的基本手段，类似于“斩波”（Chop）作用。
一个周期T s内，电子开关接通时间t on所占整个周期T s的比例，称接通占空比D，D=t on/T s；断开时间t off所占T s比例，称断开占空比D’，D’= t off/T s。
很明显，接通占空比越大，负载上电压越高；1/T s=f s称开关频率，f s越高，负载上电压也越高。
这种DC-DC变换器中的开关都在某一固定频率下（如几百千赫兹）工作，这种保持开关频率恒定，但改变接通时间长短（即脉冲的宽度），使负载变化时，负载上电压变化不大的方法，称脉宽调制法（Pulse Width Modulation,简称为PWM）。
由于电子开关按外加控制脉冲而通断，控制与本身流过的电流、二端所加的电压无关，因此电子开关称为“硬开关”。
很明显，由于硬开关关断和开通时，开关上同时存在电压、电流，损耗是比较大的，但无论如何比串联电阻变换方法损耗小得多。
这就是开关电源的优点之一。
凡用脉宽调制方式控制电子开关的开关变换器，称为PWM开关变换器。
它是以使用“硬开关”为主要特征的。
另一类称之为软开关。
凡用控制方法使电子开关在其两端电压为零时导通电流，或使流过电子开关电流为零时关断，此开关称为软开关。
软开关的开通、关断损耗理想值为零。
由于损耗小，开关频率可提高到兆赫级，开关电源体积、重量显著减少。
可用谐振（Resonance）的方法使电子开关上电压或电流为零，谐振分为串联谐振和并联谐振。
直流直流--直流直流(DC/DC)(DC/DC)(DC/DC)变换器变换器DC/DC 变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。
斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts 不变，改变ton(通用)，二是频率调制（1）Buck 电路——降压斩波器，其输出平均电压U0小于输入电压Ui ，极性相同。
（2）Boost 电路——升压斩波器，其输出平均电压U0大于输入电压Ui ，极性相同。
（3）Buck －Boost 电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui ，极性相反，电感传输。
（4）Cuk 电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui ，极性相反，电容传输。
还有Sepic 、Zeta 电路。
上述为非隔离型电路，隔离型电路有正激电路、反激电路、半桥电路、全桥电路、推挽电路。
当今软开关技术使得DC/DC 发生了质的飞跃，美国VICOR 公司设计制造的多种ECI 软开关DC/DC 变换器，其最大输出功率有300W 、600W 、800W 等，相应的功率密度为(6.2、10、17)W/cm3，效率为（80～90）％。
日本NemicLambda 公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM 系列，其开关频率为（200～300)kHz ，功率密度已达到27W/cm3，采用同步整流器（MOS FET 代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90％。
2.2AC/DC 变换AC/DC 变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。
AC/DC 变换器输入为50/60Hz 的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL 、CCEE 等）及EMC 指令的限制（如IEC 、、FCC 、CSA ），交流输入侧必须加EMC 滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC 电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC 电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作损耗增大，限制了AC/DC 变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。
DC-DC三种基本调制方式的比较
通常来说，DC-DC有三种最常见的调制方式，分别为脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)和跨周期调制PSM)[17]。
他们调制行为的示意图可以用如图2-8所表示，下面将分别介绍三种调制方式，以及他们各大自的优缺点。
时钟
PWM
PFM
PSM
图2-8 三种调制方式示意图
1)PWM方式
PWM方式，可称之为定频调宽，即开关频率保持恒定，而通过改变在每一个周期内的驱动信号的占空比来达到调制的目的，这是最常用的一种调制方式[18]。
当输出电压发生变化时，通过环路的控制，便会使驱动信号的占空比发生改变，从而维持输出电压的恒定。
作为最常用的调制方式，PWM方式有以下优点：控制电路简单，易于设计与实现，输出纹波电压小，频率特性好，线性度高，并且在重负载的情况下有及高的效率。
其缺点是随着负载的变轻，其效率也下降，尤其是轻负载的情况下，其效率很低。
2)PFM方式
PFM模式在正常工作时，驱动信号的脉冲宽度保持恒定，但脉冲出现的频率发生改变，即所谓的定宽调频。
当输出电压发生变化时，通过环路的调整，而使脉冲出现的频率发生改变，从而实现对电路的控制与调整。
PFM又可以分为恒定驱动信号的高电位时间以及恒定驱动信号的低电平时间两种方式。
在具有模式切换的DC-DC电路中，PFM也是很常见到的一种调制试。
这种调制方式的优点是：在轻负载的情况下，效率很高，并且频率特性也十分好。
但是在重负载的情况下，其效率会明显低于PWM方式，并且由于其纹波的频谱比较分散，没有多少规律，这使得滤波电路的设计变得十分复杂与困难。
3)PSM方式
PSM方式，可称之为定频定宽。
其驱动信号的频率与宽度都保持恒定，只是，当负载为最重的情况时，驱动信号满频工作，当负载变轻时，驱动信号就会跳过一些开关周期，在被跨过的周期内，开关功率管一直保持为关断的状态。
当负载发生变化时，通过改变跨过周期的数目以及跨周期出现的次数，来实现对系统的调整与控制。
相对于前面的两种控制方式，PSM方式在工业上的应用要晚一些。
相比于PWM方式，在轻负载的情况下，PSM要有更高的效率，并且其开关损耗与系统的输出功率成正比，与负载的变化情况关系不大。
但是这种调控方式，会使输出电压有着比较大的纹波电压，不适合用于为对电源电压精度要求很高的一些系统供电。
通过以上的分析，我们可以知道，三种调控方式各有优缺点，在使用时，我们应该根据电路的应用情况而进行合理的选择。
很多电路中通常都选择PWM与PFM或者PSM相结合的方式，以保证系统在整个负载范围内都有比较高的效率。
本论文由于负载情况相对变化不会太大，所以只采用的了PWM方式对电路进行调制。
DC-DC基本的控制模式式介绍
DC-DC有多种反馈控制方式，如电压模式、峰值电流模式（电流模式）、平均电流模式、相加模式和滞回电流模式等[19]。
其中最常用的便是电压模式与电流模式，下面将对这两种控制方式进行介绍。
1)电压模式
电压模式是一种比较老，也是比较成熟的一种控制方式。
其电路整体结构如图2-9所示。
电路正常工作时，误差放大器直接采样输出信号，然后把输出信号与基准电压的误差信号经过误差放大器放大后，输入到PWM比较器，与振荡器输出的三角波信号进行比较，生成控制信号，来控制开关功率管的开启与关断。
图2-9 电压模式的基本控制结构图
电压模式的DC-DC结构简单，只有一个反馈环路，电路设计比较容易。
由于三角波的幅值相对较大，因此此种控制方式对噪声的抵抗能力很强。
但是电压模式的瞬态响应速度比较慢，尤其是对电源的变化的响应十分慢，不太适合波动比较快的负载。
改进的方法是在电路中加入对输入电压的前馈控制电路。
2)电流模式
图2-10 电流模式的基本控制结构
电流模式在工业上的应用要晚于电压模式，其核心控制结构如图2-10所示。
相比于电压模式，在采样输出电压信号的同时，电路同样对电感上的电流信号进行采集。
电路正常工作时，输出电压与基准电压的误差信号经过误差放大器的放大以后，输出一个控制信号到PWM比较器，同时，电路采样电感上的电流信号，当采样的包含电感电流信号的信号我峰值达到误差放大器输出的控制信号的值时，PWM比较器便会输出一个脉冲信号到控制逻辑到，用来控制关断功率管。
直到下一个时钟周期，驱动信号在在时钟边缘信号的触发下发生翻转，再次开启功率管。
相比于电压模式的DC-DC，电流模式控制的DC-DC有着更快的瞬态响应速度，这是由于它对电感上电流信号的变化进行了直接的采样，因此能够对电源电压的波动做出快速响应，同时对于负载变化的响应也比电压模式有了很大改善。
但是这种控制方式对噪声比较敏感。
更为重要的是，当驱动信号的占空比大于50%，电路容易不可避免的发生次谐波振荡，这需要增加额外的斜率补偿电路来进行解决。
而且，由于电路有两个反馈环路，设计起来要相对复杂。
