DC-DC變換器主要技術(shù)發(fā)展綜述

任怡靜 侯天明 節(jié)帥

摘要：隨著社會的進步和科技的發(fā)展，功率開關(guān)器件也在不斷進步，其中直流到直流的變換器的重要技術(shù)也得到了很大的進步。本文就DC-DC變換器中的軟開關(guān)、同步整流、移相PWM技術(shù)和多電平技術(shù)等主要技術(shù)的發(fā)展進行綜述，并且對變換器未來的發(fā)展趨勢進行討論。

關(guān)鍵詞：DC-DC變換器;軟開關(guān);同步整流;PWM;多電平

DC-DC變換器是將無法調(diào)節(jié)的不可直接使用的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢哉{(diào)節(jié)電壓大小的或者固定的直流電壓，DC-DC變換器通常被使用到開關(guān)電源和直流調(diào)速中。DC-DC變換器隨著技術(shù)的發(fā)展不斷進步，與變換器相關(guān)的技術(shù)也在不斷發(fā)展，這些技術(shù)的發(fā)展也在一定程度上影響著變換器的發(fā)展，例如上個世紀(jì)得到發(fā)展的功率開關(guān)器件，功率開關(guān)器件的發(fā)展在一定程度上也影響著變換器的發(fā)展。

一、軟開關(guān)技術(shù)

開關(guān)的一大發(fā)展方向就是高頻化，高頻的開關(guān)在日常生活中的使用越來越頻繁，開關(guān)頻率的變高使得電路受到電磁的干擾便強，干擾的增強在一定程度上也影響著電路控制和電路驅(qū)動的穩(wěn)定程度，所以在高頻化的同時也要努力減少開關(guān)造成的損耗，軟開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上解決了這個問題。

軟開關(guān)變換器在出現(xiàn)后也經(jīng)歷了一系列的發(fā)展，在軟開關(guān)變換器發(fā)展到現(xiàn)在，軟開關(guān)變換器的性能依然依賴于變換器用到的開關(guān)器件。寄生電容比較大并且開關(guān)頻率比較高的情況下往往會產(chǎn)生大量的開關(guān)損耗，在這種情況下我們可以使用零電壓的開通方式避免大量損耗。變換器使用不同的器件可以獲得不同的性能，同一個電路使用不同的器件的情況下性能也是不同的，所以在選擇器件的同時要結(jié)合各個方面的因素，避開軟開關(guān)變換器的，發(fā)揮其優(yōu)點，達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

二、同步整流

同步整流技術(shù)在上個世紀(jì)出現(xiàn)，隨著科技的發(fā)展通信和計算機相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)品中所需要的器件和功耗也在不斷增加，需要使用低壓高電流的變換器，在高頻時器件的損耗很大，同步整流技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上解決了損耗高的問題，降低了開關(guān)的損耗。

同步電流是為了在電路中滿足低壓高電流的要求，在這一要求下通常我們使用MOSFET的門極控制電壓和漏極電壓同步，從而達(dá)到低電壓大電流的需求。同步整流技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了ZVS和ZCS這兩種方式，這再進一步降低了開關(guān)的損耗，并且在這方面也有了很大的進步，其中數(shù)字技術(shù)和同步整流技術(shù)相結(jié)合，并且也開發(fā)出了適用于對稱拓?fù)涞耐秸麟娐?，并且使用?fù)合拓?fù)涞那闆r下使得同步整流的效果更好。

三、移相PWM技術(shù)

移相PWM技術(shù)在近些年得到了很好地發(fā)展，這一技術(shù)通常使用雙極性控制或者有限雙極性控制的方式，并且這種技術(shù)其實也是諧振技術(shù)和PWM技術(shù)的結(jié)合，這一技術(shù)只要是通過調(diào)節(jié)移相角來調(diào)節(jié)電壓的大小，通常在大功率全橋變換電路中使用。這一技術(shù)也有一些缺點，整流二極管在這技術(shù)下仍然是硬開關(guān)，增加了系統(tǒng)的損耗。為了改變這一缺點，我們可以做一些改進，在電路中串聯(lián)電感可以擴大負(fù)載同時也能夠減少占空比的丟失，抑制電壓過沖和震蕩的現(xiàn)象，擴大零電壓開關(guān)負(fù)載的變化。

為了改變?nèi)秉c做出的改變?nèi)稳挥幸恍┤秉c，上面這個方法通常要加一個電感，這就會使得同步整流的控制變得復(fù)雜，但是不串聯(lián)電感就會有丟失占空比的現(xiàn)象。串聯(lián)電容和電感可以復(fù)位初級電流，這種情況下電壓和電流的應(yīng)力也比較小，同時也可以起到阻斷電壓的作用，在移相PWM技術(shù)中使用軟開關(guān)可以提高直流變換器的利用效率。

四、多電平技術(shù)

多電平技術(shù)指的是有多個電平的輸出的電路，在設(shè)計之初，多電平電路是用多個電平拼接成輸出電壓，這一方式可以降低諧波的含量，提高系統(tǒng)性能。多電平比傳統(tǒng)的電路在高壓大功率領(lǐng)域有著很大的優(yōu)勢，部分整流電路的輸出電壓很高，同時造成的電壓應(yīng)力也比較高，這種情況就可以采用多電平技術(shù)以降低電壓應(yīng)力。將軟開關(guān)引入到多電平的變換器中是十分適合高電壓大功率的電路的，并且也可以做到電壓應(yīng)力為直流電壓的一半。但是仍然有很多不足之處，其中就有使用多電平技術(shù)會讓電路變得復(fù)雜，到目前為止，直流變換器的多電平技術(shù)仍在還在發(fā)展過程中，由于其電路復(fù)雜所以建模也相對困難，如何克服這一問題，簡化電路得到簡單的變換器拓?fù)鋱D，找到適合的建模方式和合適的控制方法是多電平技術(shù)現(xiàn)在要解決的問題。

五、發(fā)展趨勢

從目前的技術(shù)發(fā)展趨勢來看，DC-DC變換器也是向著高效率高功率密度的方向發(fā)展，提高變換的效率和功率密度可以減少電路中的損耗，高可靠性和高性能的方向也是DC-DC變換器的發(fā)展趨勢。使用軟開關(guān)技術(shù)可以減少低功率變換器中的機體的體積增加開關(guān)的頻率，并且提高開關(guān)的轉(zhuǎn)換效率，對于高功率的變換器需要簡化電路拓?fù)?，減少電路的成本，提高轉(zhuǎn)換效率。

結(jié)束語

從上個世紀(jì)以來，科技不斷地發(fā)展，DC-DC變換器逐漸走進人們的生活得到人們的關(guān)注，其中DC-DC變換器的主要技術(shù)有軟開關(guān)技術(shù)、同步整流技術(shù)、移相PWM技術(shù)和多電平技術(shù)等。變換器和其主要技術(shù)隨著科技的發(fā)展也在不斷發(fā)展，在每一種技術(shù)中都有一定的缺陷和問題，但是科技的發(fā)展彌補了一些缺陷，使得技術(shù)都在不斷發(fā)展，慢慢走到成熟期。到了成熟期后發(fā)展開始變得緩慢甚至出現(xiàn)停滯的現(xiàn)象，今后發(fā)展的主要核心就是將直流變化技術(shù)提高到更高的級別，逐漸進入整合和綜合的狀態(tài)。

參考文獻：

[1]Kadir Sabanci，Selami Balci. Development of an expression for the output voltage ripple of the DC-DC boost converter circuits by using particle swarm optimization algorithm[J]. Measurement，2020.

[2]易靈芝，朱和瀟，龍谷宗，張恒.于耦合電感式緩沖電路全軟開關(guān)DC/DC變換器[J/OL].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報：1-7[2020-03-17].https：//doi.org/10.19635/j.cnki.csu-epsa.000424.

[3]俞靖一.直流微網(wǎng)DC/DC變換器軟開關(guān)技術(shù)的探討[J].電工技術(shù)，2019（21）：39-41.