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為了減小體積和重量，60年代出現了開關頻率高于市電工作頻率的開關轉換器。最初，開關轉換器的工作頻率在 20 kHz – 30 kHz 之間。70年代以后，隨著先進器件(比如高速晶體管)的推廣應用，開關頻率可達到超過 100 kHz。但是，隨開關頻率升高而增大的開關損耗，嚴重影響開關轉換器的性能。為了減小開關損耗，出現了開關頻率高達 1 MHz 的準諧振、零電流開關 (ZCS) DC-DC 轉換器。每個開關器件均在零電流時導通與關斷，這樣開關損耗只與導通電流有關而與開關頻率無關。在每個開關周期內，轉換器都向輸出端傳輸高頻能量。 目前，開關轉換器通常都封裝成高功率密度的磚式模塊，如 圖1 所示。電源系統設計師在選擇 DC-DC轉換器模塊時，通常只考慮體積、效率和價格，但很少考慮電路結構。由于目前轉換器采用的電路結構(基本的電源轉換電路)有許多種，所以了解轉換器的電路結構，有助于選擇適當的轉換器。 圖1 - 高密度 DC-DC 轉換器模塊，根據輸入電壓、輸出電壓和輸出功率不同，轉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 2.28 x 1.45 x 0.5 英寸 (57.9 x 36.8 x 12.7 mm)，最大輸出功率可達 150 W。 本文主要說明準諧振、零電流開關 DC-DC 轉換器的電路結構和工作原理。還討論各種電路結構的不同特點和某些優點。 圖2 是一個準諧振、零電流開關 DC-DC 轉換器的簡化電路圖。由于單只固體開關導通時，能量由電源傳輸到負載，所以這種轉換器稱為單端正激轉換器。該轉換器為準諧振轉換器，開關在零電流處轉換，真正消除了開關損耗。但是，它又與諧振轉換器不同，電容器 Cr 中貯存的能量不能返回到電感 Lr 中。 圖2 - 準諧振、零電流開關 DC-DC 轉換器簡化電路圖 該轉換器主要由以下元器件組成：
準諧振、零電流開關 DC-DC 轉換器通過能量傳輸循環完成功率變換。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速率傳輸，因此可以改變傳輸到輸出端的總功率(或電壓)。這些能量又經 LO、Cr 輸出濾波器平均或平滑后，輸出穩定的功率(或電壓)。需要輸出更大功率時，重復速率將上升。 盡管現有許多轉換器電路，但是 DC-DC 轉換器作為模塊式元件的出現，還必須考慮一些電路結構的問題。由于開關轉換器的某些固有特性，比如功耗隨著頻率升高而增大，所以沒有任何一種轉換器結構在各個方面都優于其它轉換器。 與諧振轉換器不同，準諧振轉換器只能單向從電源到負載傳輸能量，效率較高并且具有固有的穩定性。 通過電源主變壓器的漏電感與變壓器次級側的諧振電容器耦合，可使零電流開關正常工作。主開關在電流流過零時導通與關斷，因此可消除許多其它開關轉換器具有的電流變化率 di/dt 高且開關噪聲大等缺點。這種正弦波“軟”開關也可減小方波“硬”開關產生的元件寄生噪聲。 一種磁芯復位電路能夠產生鏡象磁化電流，使轉換器能工作于 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點，比如變壓器磁芯具有最大磁通量、主開關承受最低電壓應力，因此可以選用額定電壓較低的更便宜的主開關器件。這些優點有助于提高轉換器的效率和功率密度，同時，還可以降低轉換器的成本。其它的磁芯復位電路，只能使單端正激轉換器工作于 第1 象限，因此轉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。轉換器可具有更高的占空比并且可采用較小的復位開關，減少功耗。 于最近的電路結構中，轉換器功能包含了寬微調范圍以及容錯架構。這些轉換器可以利用固定電阻，電位器或 DAC 電壓來編程輸出電壓從正常電壓的 10% 至 110%。例如，12 Vdc 輸出可微調至超過 1.2 Vdc 至 13.2 Vdc 的范圍。這些轉換器同樣有 N+M 專利的容錯架構。并聯陣列內其中一個模塊會自動控制起動，其它模塊會與它同步工作。陣列內的模塊在輸入那邊的母線以高速的脈沖來通信。如果主導模塊失效，另一個模塊會自動被選為主導，系統仍然繼續工作，不受影響。 |
