任务二 直流变换器的分类

学习目标

◆ 了解直流变换器的分类方法。

◆ 熟悉直流变换器的类型。

直流开关电源的核心是直流-直流（DC-DC）变换器，简称直流变换器。直流变换器按输入与输出间是否有电气隔离，可分为两类：没有电气隔离的，称为非隔离式直流变换器；有电气隔离的，称为隔离式直流变换器。

非隔离式直流变换器按所用有源功率器件的个数，可分单管、双管和四管三类。单管直流变换器有六种类型，即降压式（Buck）变换器、升压式（Boost）变换器、升降压式（Buck-Boost）变换器、Cuk变换器、Zeta变换器和Sepic变换器。在这六种单管变换器中，降压式和升压式变换器是最基础的，另外四种是从中派生的。双管直流变换器有双管串接的升降压式（Buck-Boost）变换器。全桥直流变换器（Full Bridge Converter）是常用的四管直流变换器。

隔离式变换器可以实现输入与输出间的电气隔离，通常采用变压器实现隔离，变压器本身具有变压的功能，有利于扩大变换器的应用范围。变压器的应用还可以实现多路不同电压或多路相同电压的输出。

当功率开关管的电压和电流容量相同时，变换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比，故四管变换器的输出功率最大，而单管变换器的输出功率最小。

非隔离式变换器和隔离式变换器组合起来，可以得到单个变换器所不具备的特性。

按能量传递来分，直流变换器有单向和双向两种。具有双向功能的充电器在电源正常时向电池充电，一旦电源中断，它可将电池电能返回电网，向电网短时间应急供电。有些直流电动机控制用变换器也是双向的，电动机工作时将电能从电源传递到电动机，制动时将电能回馈给电源。

直流变换器也可分为自激式和他控式。借助于变换器本身的正反馈信号实现开关管自持周期性开关的变换器叫作自激式变换器，洛耶尔（Royer）变换器是一种典型的推挽自激式变换器。他控式直流变换器中开关器件控制信号由专门的控制电路产生。

按开关管的开关条件，直流变换器可分为硬开关（Hard Switching）和软开关（Soft Switching）两种。硬开关直流变换器的开关器件是在承受电压或电流的情况下接通或断开电路的，因此在开通或关断过程中伴随着较大的损耗，即所谓的开关损耗（Switching Loss）。当变换器工作状态一定时，开关管每开通或关断一次的损耗也是一定的，因此开关频率越高，开关损耗就越大。同时，开关过程中还会激起电路分布电感和寄生电容的振荡，带来附加损耗，因而硬开关直流变换器的开关频率不能太高。软开关直流变换器的开关管在开通或关断过程中，或是加在器件上的电压为零，即零电压开关（Zero Voltage Switching，ZVS），或是通过器件的电流为零，即零电流开关（Zero Current Switching，ZCS）。这种开关方式显著地减小了开关损耗和开关过程中激起的振荡，可以大幅度地提高开关频率，为变换器的小型化和模块化创造了条件。功率场效应管（MOSFET）的特点是开关速度高，但同时也有较大的寄生电容。当它关断时，在外电压作用下，其寄生电容充满电荷，如果在它开通前不能将这部分电荷释放掉，则这些电荷将消耗于器件内部，这就是所谓的容性开通损耗。为了减小乃至消除这种损耗，功率场效应管宜采用零电压开通方式（ZVS）。绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种复合器件，关断时的电流拖尾将会导致较大的关断损耗。如果在关断前使通过器件的电流降为零，则可以显著地降低开关损耗，因此IGBT宜采用零电流（ZCS）关断方式。IGBT在零电压条件下关断，也能减小关断损耗，而MOSFET在零电流条件下开通并不能减小容性开通损耗。谐振变换器（Resonant Converter，RC）、准谐振变换器（Quasi-Resonant Converter，QRC）、多谐振变换器（Multi-Resonant Converter，MRC）、零电压开关PWM变换器（ZVS PWM Converter）、零电流开关PWM变换器（ZCS PWM Converter）、零电压转换（Zero Voltage Transition，ZVT）PWM变换器和零电流转换（Zero Current Transition，ZCT）PWM变换器等均属于软开关直流变换器。电力电子器件和零开关变换器电路拓扑的发展，促使了高频电力电子学的诞生。