任務二 直流變換器的分類

學習目標

◆ 了解直流變換器的分類方法。

◆ 熟悉直流變換器的類型。

直流開關電源的核心是直流-直流（DC-DC）變換器，簡稱直流變換器。直流變換器按輸入與輸出間是否有電氣隔離，可分為兩類：沒有電氣隔離的，稱為非隔離式直流變換器；有電氣隔離的，稱為隔離式直流變換器。

非隔離式直流變換器按所用有源功率器件的個數，可分單管、雙管和四管三類。單管直流變換器有六種類型，即降壓式（Buck）變換器、升壓式（Boost）變換器、升降壓式（Buck-Boost）變換器、Cuk變換器、Zeta變換器和Sepic變換器。在這六種單管變換器中，降壓式和升壓式變換器是最基礎的，另外四種是從中派生的。雙管直流變換器有雙管串接的升降壓式（Buck-Boost）變換器。全橋直流變換器（Full Bridge Converter）是常用的四管直流變換器。

隔離式變換器可以實現輸入與輸出間的電氣隔離，通常采用變壓器實現隔離，變壓器本身具有變壓的功能，有利于擴大變換器的應用范圍。變壓器的應用還可以實現多路不同電壓或多路相同電壓的輸出。

當功率開關管的電壓和電流容量相同時，變換器的輸出功率通常與所用開關管的數量成正比，故四管變換器的輸出功率最大，而單管變換器的輸出功率最小。

非隔離式變換器和隔離式變換器組合起來，可以得到單個變換器所不具備的特性。

按能量傳遞來分，直流變換器有單向和雙向兩種。具有雙向功能的充電器在電源正常時向電池充電，一旦電源中斷，它可將電池電能返回電網，向電網短時間應急供電。有些直流電動機控制用變換器也是雙向的，電動機工作時將電能從電源傳遞到電動機，制動時將電能回饋給電源。

直流變換器也可分為自激式和他控式。借助于變換器本身的正反饋信號實現開關管自持周期性開關的變換器叫作自激式變換器，洛耶爾（Royer）變換器是一種典型的推挽自激式變換器。他控式直流變換器中開關器件控制信號由專門的控制電路產生。

按開關管的開關條件，直流變換器可分為硬開關（Hard Switching）和軟開關（Soft Switching）兩種。硬開關直流變換器的開關器件是在承受電壓或電流的情況下接通或斷開電路的，因此在開通或關斷過程中伴隨著較大的損耗，即所謂的開關損耗（Switching Loss）。當變換器工作狀態一定時，開關管每開通或關斷一次的損耗也是一定的，因此開關頻率越高，開關損耗就越大。同時，開關過程中還會激起電路分布電感和寄生電容的振蕩，帶來附加損耗，因而硬開關直流變換器的開關頻率不能太高。軟開關直流變換器的開關管在開通或關斷過程中，或是加在器件上的電壓為零，即零電壓開關（Zero Voltage Switching，ZVS），或是通過器件的電流為零，即零電流開關（Zero Current Switching，ZCS）。這種開關方式顯著地減小了開關損耗和開關過程中激起的振蕩，可以大幅度地提高開關頻率，為變換器的小型化和模塊化創造了條件。功率場效應管（MOSFET）的特點是開關速度高，但同時也有較大的寄生電容。當它關斷時，在外電壓作用下，其寄生電容充滿電荷，如果在它開通前不能將這部分電荷釋放掉，則這些電荷將消耗于器件內部，這就是所謂的容性開通損耗。為了減小乃至消除這種損耗，功率場效應管宜采用零電壓開通方式（ZVS）。絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一種復合器件，關斷時的電流拖尾將會導致較大的關斷損耗。如果在關斷前使通過器件的電流降為零，則可以顯著地降低開關損耗，因此IGBT宜采用零電流（ZCS）關斷方式。IGBT在零電壓條件下關斷，也能減小關斷損耗，而MOSFET在零電流條件下開通并不能減小容性開通損耗。諧振變換器（Resonant Converter，RC）、準諧振變換器（Quasi-Resonant Converter，QRC）、多諧振變換器（Multi-Resonant Converter，MRC）、零電壓開關PWM變換器（ZVS PWM Converter）、零電流開關PWM變換器（ZCS PWM Converter）、零電壓轉換（Zero Voltage Transition，ZVT）PWM變換器和零電流轉換（Zero Current Transition，ZCT）PWM變換器等均屬于軟開關直流變換器。電力電子器件和零開關變換器電路拓撲的發展，促使了高頻電力電子學的誕生。