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直流-直流转换器

2018-07-26 10:32:39     所属分类:功率电子学

直流-直流转换器(DC-to-DC converter)也称为DC-DC转换器,是电能转换的电路或是机电设备,可以将直流(DC)电源转换为不同电压的直流(或近似直流)电源。其功率范围可以从很小(小的电池)到非常大(高压电源转换)。有些直流-直流转换器的输出电压和输入电压有相同的参考点,而有些直流-直流转换器的输出电压是和输入电压隔离。

目录

  • 1 历史
  • 2 应用
  • 3 电子型转换器
    • 3.1 磁场储能
    • 3.2 电容储能
  • 4 机电型转换器
  • 5 电化学型转换器
  • 6 混沌行为
  • 7 参考资料
  • 8 相关条目
  • 9 外部连接

历史

功率半导体元件英语Power semiconductor device及电力电子等相关技术产生之前,若要将小功率的直流电转换成较高电压的直流电,可以先用震荡电路英语vibrator (electronic)先转换为交流,再用升压变压器升压,最后再用整流器转换为直流[1][2]。若是较大功率的直流电压转换,会用电动机驱动发电机(有时会整合成dynamotor模组,在一个模组中同时有马达和发电机,一个绕组驱动电动机,另一个绕组产生输出电压)。这些是比较没有效率的作法,其费用也较贵,但当时没有其他更好的作法,像是驱动早期的汽车音响(其中使用的热电子管或是真空管工作电压远高于汽车中6V或12V的电压)[1]。功率半导体及集成电路的出现,使用一些新式电路的成本开始下降,是一般应用可以负荷的价格。比较便宜。这些新式电路包括将直流电转换为高频的交流电,配合一个较小、较低也较便宜的变压器来转换交流电压,再用整流器再转换成直流[3]。1976年时汽车收音机开始使用晶体管,不需要高电压。而使用晶体管的电源供应器也已可以取得,不过仍有些业余无线电使用者使用震荡电路及dynamotor的电源做为需要高电压的无线电发射台电源。[4]

利用线性电路是可以从较高直流电压中产生较低的电压,甚至使用电阻分压也有类似效果。但这些方式会将多余的能量以热的方式消耗,效率不佳。一直到后来固态切换电路出现后,才有效率较高的直流-直流转换器。

应用

直流-直流转换器常用在像移动电话及笔记型电脑等,主要由电池供电的行动设备里。这类的电子设备中常有许多的子电路,需要的电源电压也和电池或是外部电源提供的电源不同。而且当电池的电量减少时,其电压也会下降。开关式的直流-直流转换器可以配合一个电压已下降的电池使用,让提供电路的电压维持在一定范围内,因此不需要用多个电池来达到此一目的。

大部分的直流-直流转换器也会将输出的电压进行稳压,不过也有些例外,像是高效率的LED驱动电路是调节给LED电流的直流-直流转换器,还有简单的电荷泵,是将输出电压加大为原来的二倍或三倍。

直流-直流转换器也可以配合光伏阵列或风力发动机使用,目的是要让收集到最多的能量,这类设备称为电源优化器英语power optimizer

一般用在市电电源50–60 Hz的变压器,若功率要超过几瓦,其体积就会很大,而且很笨重,而且绕组铜损及铁心的涡电流都会造成能量损失。直流-直流转换器会设计电路,让变压器或是电感可以在较高的频率工作,因此元件较小、较轻、价值也较价宜。甚至这类元件会用在一些原来用传统市电频率变压器的场合。例如,家用电气设备常会将市电电源先整流成直流电,用开关电源供应器的技术转换为所需电压的高频交流电,最后再整流到对应电压的直流电。整个电路比传统配合变压器及整流器的系统要复杂,但价格便宜,效率也会比较好。

电子型转换器

实际应用的电子式直流转换器会使用开关切换的技术。直流-直流的开关电源可以将能量暂时储存,再透过输出电压释放,可以将直流电压转换为较高或是较低电压的直流电。能量的储存可以储存在电场(电容器)或是磁场(电感器或是变压器)。这种转换方式可以昇压也可以降压,切换式的转换效率可以到75%~98%,比线性电压调节器(会将不需要的能量以热的方式消耗)的效率要好。为了效率考量,其中的半导体元件开启或关闭的速度要相当快,不过因为有快速的暂态,加上电路布局上会有的杂散元件,让电路的设计更有挑战性[5]。开关电源的高效率减少了散热片的大小或体积,也提升了便携式设备用电池供电时,可以运作的时间。在1980年代后期,因为功率级场效应管的出现,可以在较高频率下有比功率级双极性晶体管更低的切换损失,因此效率也可以进一步的提升,而且场效应管的驱动电路也比较简单。 另一个开关电源的重要突破是用功率级场效应管的同步整流英语synchronous rectification技术代替飞轮二极管[6],其导通电路较低,也可以降低切换损失。在功率半导体广为应用之前,低功率的直流-直流同步整流器中包括一个机电式的震荡器,震荡后的电透过降压变压器,输出给真空管、半导体整流器、或是和震荡器连接的同步整流器。

大部分直流-直流转换器是设计单向转换,功率只能从输入侧流到输出侧。不过所有开关电压转换器的拓扑都可改为双向转换,可以让功率从输出侧流回输入侧,方式是将所有的二极管都改为独立控制的主动整流英语active rectification。双向转换器可以用在像车辆之类,需要再生制动的应用,在车辆运行时,是由转换器供电给车轮,但在刹车时,会反过来由车轮供电给转换器。

切换型的转换器以电子学的角度来看,其实比较复杂,不过因为许多电路都封装在集成电路中,需要的零件较少。在电路设计时,为了让切换噪声(EMI / RFI)降到可容许范围,而且要让高频电路可以稳定运作,需要小心的设计电路以及实际电路及元件的布局[7]。若是在降压的应用中,切换型转换器成本比线性转换器要高,不过随着芯片设计的进步,切换型转换器的成本也在渐渐下降。

直流-直流转换器可以用集成电路(IC)再加上几个零件的方式组成,也有转换器本身就是完整的并合集成电路英语hybrid circuit模组,只需要组装在电路板上即可使用。

线性电压调节器可以从电压较高但可能不稳定的直流电压源中转换出稳定的直流电压,输入输出电压差对应的功率则依焦耳定律转换为热能耗散出去,以定义上来看,可以算是直流-直流转换器,但实务上很少这么称呼线性电压调节器。电阻分压电路也可以产生和输入电压不同的输出电压,可能会加上稳压器或齐纳二极管调节输出电压,不过也很少被称为直流-直流转换器。

也有一些电容型的倍压器及多倍压器英语Voltage multiplier,可以将直流电压放大两倍、三倍或是其他整数倍,多半会用在输出小电流的应用上。

磁场储能

这类的直流-直流转换器会周期性将能量储存在电感器或是变压器产生的磁场中,再周期性的释放其储能,周期约在300 kHz至10 MHz的范围。转换器的控制是透过调整占空比(周期中导通时间所占的比例),控制的目的是为了调整输入电流、输出电压或是维持固定的功率输出。若是有变压器的直流-直流转换器,可以提供和输入电压隔离的输出电压。一般所指的“直流-直流转换器”其实是指这种磁场储能的转换器,这类电路也是开关电源的核心元件。有许多不同的组态。以下列出一些常见的组态。

顺向式(能量直接透过磁场传递) 返驰式(能量会储存在磁场中)
无变压器(非隔离)
  • 降压型(buck):输出电压比输入电压小,极性相同
  • 非反相型:输出电压极性和输出电压相同
    • 升压型(boost):输出电压比输入电压大
    • SEPIC英语SEPIC converter:输出电压可以比输入电压大,也可以比输入电压小
  • 反相型:输出电压极性和输出电压相反
    • 反相型(buck-boost)
    • Ćuk英语Ćuk converter:输出电流连续
  • 非反相型(buck-boost):输出电压可以比输入电压大,也可以比输入电压小,极性和输入电压相同
  • Split-pi(boost-buck)英语Split-pi:允许双向的电压转换,输出电压可以比输入电压大,也可以比输入电压小,极性和输入电压相同
有变压器(隔离)
  • 顺向式变换器:一个或是二个功率晶体
  • 推挽式(半桥)英语Push–pull converter:二个功率晶体
  • 全桥:四个功率晶体
  • 返驰式变换器 :一个功率晶体

以外,上述组态也可以有以下的差异:

硬切换
较简单的方式,功率晶体快速的在大电压或是大电流的情形下打开或是关闭。
谐振
配合LC电路调整通过晶体的电压及电流,让切换时晶体的电压或是电流恰好为零。

磁场储能的直流-直流转换器也可以依实际应用时,主磁性元件(变压器或是电感器)的电流分为以下二种运作模式:

连续模式
主磁性元件上的电流会变化,但不会降到零
不连续模式
主磁性元件上的电流会变化,在每个周期结束时(或是结束前)会降到零

若确认转换器输出的电流,可以将转换器设计在连续模式或是不连续模式,也可以设计转换器,在轻载(输出电流较小)时运作在不连续模式,重载(输出电流较大)时运作在连续模式。

半桥及返驰式的架构类似,需定期将储存在磁性材料中的能量耗散掉,以免铁芯磁饱和。返驰式变换器可以传输的功率会受到铁芯中可以储存的能量所限制。而顺向式变换器可以传输的功率则受到功率晶体的I/V特性所限制。

MOSFET开关可以容许同时有满载的电压及电流(不过热应力以及电迁移会降低MTBF),双载子的功率晶体一般不允许这类的应用,因此需要一个或二个snubber电路英语Snubber作为保护。

大电流的系统多半会用多相的转换器,也称为交错转换器(interleaved converters)[8][9][10] 。多相转换器是由多个转换器并联,输出的时间错开,因此由几个转换器轮流提供功率给输出端,其涟波较小,反应也比单相的转换器要快[11]

许多笔记型电脑或是台式电脑的主板都会有交错转换器来供电,有时则是用电压调节模组[12]

电容储能

切换式的电容转换器动作原理是靠电容器和开关,在不同组态下将电容器以不同的方式连结到输入侧及输出侧。例如一个降压电容转换器会让输入电源为二个串联的电容器充电,再将电容器切换为并联后再连到输出侧。在假设效率100%的情形下,输出功率和输出功率相同,输出电压为输入的一半,电流则是两倍。因为其运作原理和电荷有关,因此有时也会称为电荷泵。这类的转换器一般会用在小电流的应用中,因为若电流较大时,配合变压器或电感器的开关电源效率较高,体积也较小,会是比较好的选择[13]。电荷泵也用在超高电压的应用下,因为高压可能会破坏磁性元件。

机电型转换器

马达和发电机分开的马达-发电机组

马达-发电机组英语motor-generator是以前常用的系统,是由一组耦合的电动马达及发电机组成。

Dynamotor更进一步,是将马达和发电机放在同一个单元内,其中的马达及发电机转子绕线会绕在同一个转子,而马达及发电机的线圈共用一様的外圈场绕线或是磁铁[4]。一般而言马达线圈会经由马达轴一测的换相器英语Commutator (electric)驱动,而发电机线圈会经由轴另一侧的换相器输出。Dynamotor的尺寸会比一组的马达和发电机要小,而且不会有外露的旋转轴。

机电的转换器可以将电压在任意电压/频率的交流电或是任意电压的直流电之间转换,也可以进行交流-交流转换或是直流-直流转换。大型的马达-发电机组会用来转换工业等级的电力,小型的马达-发电机组可将电池的电源(直流6V、12V或24V)转换为较高的直流电压,可以驱动真空管设备。

若是一些低功率的车用应用,但需要的电压又比车用电池可产生的电压要高,就会使用有机械振动器的电源。机械振动器上面有接点,会以一秒几次的速度来交换电池连接到电源的极性,等效来说是将直流转换为方波的交流电,之后可以送到变压器产生需要的电压[1],不过会有机械振动器产生的噪音。

电化学型转换器

数千瓦到百万瓦等级的直流-直流转换可以用液流电池来进行,例如全钒氧化还原液流电池。

混沌行为

电子式的直流-直流转换器中有许多不同种类的混沌特性,例如系统参数连续改变造成特性大幅改变的分岔(bifurcation)[14]、奇异吸引子突然出现或是消失的危机英语crisis (dynamical systems)(crisis)及阵发混沌英语intermittency(intermittency)[15][16]

参考资料

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Vibrator Power Supplies. Radioremembered.org. [18 January 2016]. 
  2. ^ Ed Brorein. Watt's Up?: What Is Old is New Again: Soft-Switching and Synchronous Rectification in Vintage Automobile Radios. Keysight Technologies: Watt's Up?. 2012-05-16 [2016-01-19]. 
  3. ^ 有一些这类的例子,一个非常大(机柜约有三个冰箱的大小)系统,其切换控制是用在晶体管发明前使用的闸流晶体管,这是1958年IBM 704电脑的电源,功率90 kW1
  4. ^ 4.0 4.1 Radio Amateur's Handbook 1976, pub. ARRL, p331-332
  5. ^ Andy Howard. How to Design DC-to-DC Converters. YouTube. 2015-08-25 [2015-10-02]. 
  6. ^ Stephen Sangwine. Electronic Components and Technology, Third Edition. CRC Press. 2 March 2007: 73. ISBN 978-1-4200-0768-8. 
  7. ^ Jeff Barrow of Integrated Device Technology, Inc. Understand and reduce DC/DC switching-converter ground noise. Eetimes.com. 2011-11-21 [2017-05-16]. 
  8. ^ Damian Giaouris et al. "Foldings and grazings of tori in current controlled interleaved boost converters". doi: 10.1002/cta.1906.
  9. ^ Ron Crews and Kim Nielson. "Interleaving is Good for Boost Converters, Too". 2008.
  10. ^ Keith Billings. "Advantages of Interleaving Converters". 2003.
  11. ^ John Gallagher "Coupled Inductors Improve Multiphase Buck Efficiency". 2006.
  12. ^ Juliana Gjanci. "On-Chip Voltage Regulation for Power Management inSystem-on-Chip" 互联网档案馆的存档,存档日期2012-11-19.. 2006. p. 22-23.
  13. ^ Majumder, Ritwik; Ghosh, Arindam; Ledwich, Gerard F.; Zare, Firuz. Control of Parallel Converters for Load Sharing with Seamless Transfer between Grid Connected and Islanded Modes. eprints.qut.edu.au. 2008 [2016-01-19]. 
  14. ^ Tse, Chi K.; Bernardo, Mario Di. Complex behavior in switching power converters. Proceedings of the IEEE: 768–781. 2002. 
  15. ^ Iqbal, Sajid; 等. Study of bifurcation and chaos in dc-dc boost converter using discrete-time map. IEEE International Conference on Mechatronics and Control (ICMC'2014) 2014. 2014. doi:10.1109/ICMC.2014.7231874. 
  16. ^ Fossas, , Enric; Olivar, Gerard. Study of chaos in the buck converter. Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, IEEE Transactions on: 13–25. 1996. 

相关条目

  • 开关电源

外部连接

  • DC DC Power Converters circuits electronics projects
  • DC-DC Converter Technologies for Electric/Hybrid Electric Vehicles
  • Power Electronics Books
  • Switching regulator application note for LCD Power supply

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