電源轉(zhuǎn)換器被期望具有高效率、成本效益、緊湊性和可靠性。此外，盡管輸入電壓在廣泛范圍內(nèi)變化，其輸出電壓波動的容忍度應(yīng)非常低。這是因為電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用范圍廣泛，包括從筆記本電腦到航天控制系統(tǒng)、從電動機(jī)驅(qū)動到電信行業(yè)等各種規(guī)模的電源供給。

基本的概念仍然是產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓。那么，哪些轉(zhuǎn)換技術(shù)使得這一行為成為可能呢?

轉(zhuǎn)換電路概述

在轉(zhuǎn)換電路中，開關(guān)控制著電力從輸入側(cè)向輸出側(cè)的動態(tài)傳輸。開關(guān)處于完全導(dǎo)通或完全關(guān)閉狀態(tài)，兩者之間的過渡時間短暫。

作為開關(guān)元件使用的半導(dǎo)體組件可以是：

·雙極結(jié)晶體管(BJT)

·金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)

·閘極關(guān)斷晶閘管(GTO)

·快恢復(fù)二極管

這些元件如圖1所示。

組件上的電壓波形通常呈周期性特征，以脈寬調(diào)制(PWM)方波、矩形波或其組合形式呈現(xiàn)。同樣，電流波形可以是三角形或梯形。

目前有大量的轉(zhuǎn)換電路能夠增加或減少輸入電壓的幅度，同時可能還會反轉(zhuǎn)其極性。

理想的直流-直流轉(zhuǎn)換器展現(xiàn)出100%的效率，但在實際應(yīng)用中，通常觀察到的效率在70%到95%之間。這可以通過采用開關(guān)模式或切換電路來實現(xiàn)，這類電路消耗的功率幾乎可以忽略不計。其工作原理基于根據(jù)需要進(jìn)行升壓或降壓。

其他變體通常以某種形式包含線圈，通常是升壓電路和降壓電路或其應(yīng)用電路的組合。然而，這些電路中潛在的轉(zhuǎn)換原理主要是共振概念和一些磁性特征。

DC-DC轉(zhuǎn)換技術(shù)

任何開關(guān)直流-直流轉(zhuǎn)換器的操作基礎(chǔ)是電子轉(zhuǎn)換原理。一般來說，電子轉(zhuǎn)換器的實際工作是通過開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)的。

開關(guān)涉及將一種直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓——它可以高于或低于輸入電壓，這一過程是通過暫時儲存輸入能量，然后以受控的方式將這能量釋放到以不同電壓輸出的方式來實現(xiàn)的。這個過程主要受兩個重要概念的支配：共振和磁性。

大多數(shù)電源轉(zhuǎn)換器都配備了電感和電容等被動元件。這些被動元件形成了一個諧振電路，該電路會根據(jù)共振原理調(diào)諧到特定頻率。一個示例諧振電路如圖2所示。

在諧振模式下的轉(zhuǎn)換器操作被定義為電路輸入和輸出之間阻抗達(dá)到最小點的狀態(tài)。

在正弦電壓或電流的零交叉附近進(jìn)行開關(guān)操作，確保了由于降低能量損耗而提高的效率。這是通過將電容器和電感器等反應(yīng)元件放置接近開關(guān)，以產(chǎn)生必要的正弦電壓或電流來實現(xiàn)的。

在漏極到源極電壓幾乎可以忽略不計時進(jìn)行開關(guān)操作(即零電壓開關(guān)，ZVS)，以及在開關(guān)狀態(tài)之間過渡時流過開關(guān)的電流幾乎為零(即零電流開關(guān)，ZCS)，可以確保減少開關(guān)損耗。這個原理也被稱為軟開關(guān)，它還有助于降低電磁干擾(EMI)。

磁性設(shè)計方面是轉(zhuǎn)換器設(shè)計的一個重要組成部分，通常是不可分割的。因此，從早期設(shè)計階段——例如預(yù)期轉(zhuǎn)換器的建模開始，就必須對相關(guān)的磁性元件進(jìn)行建模和設(shè)計。這一階段有助于理解所需的磁性元件及其在整合后的操作，并為開關(guān)轉(zhuǎn)換器的磁性設(shè)備設(shè)計提供了見解。

對轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要的一個關(guān)鍵磁性元件是電感。電感的類型(如單繞組、多繞組或耦合電感)根據(jù)轉(zhuǎn)換器的需求進(jìn)行選擇，并進(jìn)行設(shè)計。目標(biāo)是基于所需的磁性優(yōu)化設(shè)計，以確保適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換器操作并實現(xiàn)卓越的性能。最小化總損耗是磁性設(shè)計的關(guān)鍵目標(biāo)，設(shè)計過程中需要考慮如最小銅損等基本約束。

關(guān)鍵要點

· 理想的直流-直流轉(zhuǎn)換器展現(xiàn)出100%的效率，但在實際中，觀察到的效率在70%到95%之間。

· 任何開關(guān)直流-直流轉(zhuǎn)換器的操作基礎(chǔ)是電子轉(zhuǎn)換原理。

· 涉及將一種直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓——它可以高于或低于輸入電壓，這一過程是通過暫時儲存輸入能量，然后以受控的方式將這能量釋放到以不同電壓輸出的方式來實現(xiàn)的。

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