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DC/DC变换器调研报告一．原理简介开关电源是利用现代电力技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。二．DCDC现状分布式电源系统应用的普及推广以及电池供电移动式电子设备的飞速发展，其电源系统需用的DC/DC电源模块越来越多。对其性能要求越来越高。除去常规电性能指标以外，对其体积要求越来越小，也就是对其功率密度的要求越来越高，对转换效率要求也越来越高，也即发热越来越少。这样其平均无故障工作时间才越来越长，可靠性越来越好。因此如何开发设计出更高功率密度、更高转换效率、更低成本更高性能的DC/DC转换器始终是近二十年来电力电子技术工程师追求的目标。例如：二十年前Lucent公司开发出第一个半砖DC/DC时，其输出功率才30W，效率只有78%。而如今半砖的DC/DC输出功率已达到300W，转换效率高达93.5%。三.DCDC电源类型1.直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为两类：一类是有隔离的称为隔离式DC/DC转换器；另一类是没有隔离的称为非隔离式DC/DC转换器。隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的DC/DC转换器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）两种。双管DC/DC转换器有双管正激式（DoubleTransistorForwardConverter），双管反激式（DoubleTransistrFlybackConverter）、推挽式（Push-PullConverter）和半桥式（Half-BridgeConverter）四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器（Full-BridgeConverter）。非隔离式DC/DC转换器，按有源功率器件的个数，可以分为单管、双管和四管三类。单管DC/DC转换器共有六种，即降压式（Buck）DC/DC转换器，升压式（Boost）DC/DC转换器、升压降压式（BuckBoost）DC/DC转换器、CukDC/DC转换器、ZetaDC/DC转换器和SEPICDC/DC转换器。在这六种单管DC/DC转换器中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。双管DC/DC转换器有双管串接的升压式（Buck-Boost）DC/DC转换器。四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器（Full-BridgeConverter）。在功率开关管的电压和电流定额相同时，转换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比。所以开关管数越多，DC/DC转换器的输出功率越大，四管式比两管式输出功率大一倍，单管式输出功率只有四管式的1/4。2.按照开关管的开关条件，DC/DC转换器又可以分为硬开关（HardSwitching）和软开关（SoftSwitching）两种。硬开关DC/DC转换器的开关器件是在承受电压或流过电流的情况下，开通或关断电路的，因此在开通或关断过程中将会产生较大的交叠损耗，即所谓的开关损耗（Switchingloss）。当转换器的工作状态一定时开关损耗也是一定的，而且开关频率越高，开关损耗越大，同时在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，因此，硬开关DC/DC转换器的开关频率不能太高。软开关DC/DC转换器的开关管，在开通或关断过程中，或是加于其上的电压为零，即零电压开关（ZVS），或是通过开关管的电流为零，即零电流开关（ZCS）。这种软开关方式可以显着地减小开关损耗，以及开关过程中激起的振荡，使开关频率可以大幅度提高，为转换器的小型化和模块化创造了条件。功率场效应管（MOSFET）是应用较多的开关器件，它有较高的开关速度，但同时也有较大的寄生电容。它关断时，在外电压的作用下，其寄生电容充满电，如果在其开通前不将这一部分电荷放掉，则将消耗于器件内部，这就是容性开通损耗。为了减小或消除这种损耗，功率场效应管宜采用零电压开通方式（ZVS）。绝缘栅双极性晶体管（IGBT）是一种复合开关器件，关断时的电流拖尾会导致较大的关断损耗，如果在关断前使流过它的电流降到零，则可以显着地降低开关损耗，因此IGBT宜采用零电流（ZCS）关断方式。IGBT在零电压条件下关断，同样也能减小关断损耗，但是MOSFET在零电流条件下开通时，并不能减小容性开通损耗。谐振转换器（RC）、准谐振转换器（QRC）、多谐振转换器（MRC）、零电压开关PWM转换器（ZVSPWMConverter）、零电流开关PWM转换器（ZCSPWMConverter）、零电压转换（ZVT）PWM转换器和零电流转换（ZVT）PWM转换器等，均属于软开关直流转换器。电力电子开关器件和零开关转换器技术的发展，促使了高频开关电源的发展。三．DCDC发展趋势DC-DC变换器电路拓扑的主要发展趋势如下：高频化：为缩小开关变换器的体积，提高其功率密度，并改善动态响应，小功率DC-DC变换器开关频率将由现在的200-500kHz提高到1MHz以上，但高频化又会产生新的问题，如：开关损耗以及无源元件的损耗增大，高频寄生参数以及高频EMI的问题等。软开关：为提高效率采用各种软开关技术，包括无源无损(吸收网络)软开关技术，有源软开关技术，如：ZVS/ZCS谐振、准谐振、恒频零开关技术等，减小开关损耗以及开关应力，以实现高效率的高频化。如美国VICOR公司开发的DC-DC高频软开关变换器，48/600W输出，效率为90%，功率密度120W/in3，日本LAMBDA公司采用有源箝位ZVS-PWM正反激组合变换以及同步整流技术，可使DC-DC变换模块的效率达90%。低压输出：例如现代微处理器的VRM电压将为1.1-1.8V，便携式电子设备的DC-DC变换器输出电压为1.2V，特点是负载变化大，多数情况下工作低于备用模式，长期轻载运行。要求DC-DC变换器具有如下特征：a)负载变化的整个范围内效率高。b)输出电压低(CMOS电路的损耗与电压的平方成正比，供电电压低，则电路损耗小)。c)功率密度高。这种模块采用集成芯片的封装形式。优异的电磁兼容性、低噪声：通过以下技术能够改善电磁兼容性，正激型ZCS软开关技术、移相全桥软开关技术、LLC谐振软开关、低噪声驱动处理技术、电磁兼容加固技术。五．DC-DC模块电源的市场构成1.铁路及轨道交通产业对于中国而言，地大物博，国土面积庞大的同时也有世界上最多人口。随着中国经济发展增速，它已经从最早单一的以公路运输为主，慢慢发展成公路、铁路、航空、海运为一体的环形运输体系。但是总体而言，中国的铁路运输网相对发达国家来讲还不健全，还有待进一步的完善。近几年来，中国高铁、城铁迅速发展，中国也有几十个城市已经在建地铁项目，再加上已有地铁城市的续建工程，中国铁路、轨道建设将进入一个黄金发展时期，对电源模块的需求量也将在未来的几年有一个大的突升。虽然需求量巨大，但是因为铁路建设及轨道建设的特殊性，中国铁道市场应用的铁路电源模块特点还是相对比较单一。主要是有以下特点：电压输入范围：DC60-160V（标称值DC110V）模块功率范围：50-200W（一般不超过200W）输出电压：DC5V，12V，13.8V，15V等（也有特殊需求看应用）工作温度范围：-40~85度（少数高温达100摄氏度）另外铁路及轨道用模块电源，在抗冲击震动，以及浪涌电流等方面，有着更高的要求一般机车载的设备供电电源模块的需求都是DC110V输入的，但是也有相关配套设施，如车站设备，或是轨道铁道上的设备。这些场合有可能提供的一次电源就是AC220V的交流电，也有可能是通信系统提供的DC48V，或是24V的直流系统。那么就有可能应用到AC220V输入、DC300V输入、DC48V输入，DC24V输入的电源。再简单介绍下此行业电源模块相关应用：一是车站及地面设备：车站广播系统、车站PIS系统（乘客信息管理系统）、车站监控调度系统、地面记录仪、测速仪、射频应答器、客室控制系统、闭路电视系统、车站AFC系统（自动售检票系统，包括自动售票机、检票机、充值机、闸机等）、车站电力系统、电动扶梯、地铁屏蔽门等二是车载设备：包括行车信息显示屏、车载LED广告机、车载广播系统、车载中央空调系统（制冷系统）、列车牵引系统（驱动控制器、马达）、电源管理系统、列车行业记录仪、列车应答设备、列车照明系统、机车自动门、讯号系统、列车制动系统，列车监控系统等目前，像VICOR、COSEL、LAMBDA模块电源品牌在铁路行业都推出有专门的适应铁路市场的DC110V输入的铁路电源。2.通信、通讯市场作为模块电源的一大市场，这个行业相对来讲是竞争比较激烈的一个行业。虽然如此，但是依旧档受不住这个大市场的诱惑。更随着中国国内3G网络铺建以及3G终端产品的普及，世界各大品牌包括中国国内的一些电源品牌都有针对通讯、通信类市场的产品。而这个行业虽然应用的电源相对杂乱，但是总结起来主要是分三大类。我们知道中国三大通信运营商，电信、移动、联通，他们机房提供的一次电源无非分作三类：AC220V，DC48V，DC24V。AC输入这块需求主要基本上还是国内开关电源所占据，我们暂且不论了；而DC这块的需求，国内国外的品牌模块电源都有一定的市场份额，国外的如EMORSON、SYNQOR、POWER-ONE、COSEL、LAMBDA等模块电源，国内如新雷能、瑞谷、核达等电源品牌都有进入这个领域。这个行业电源模块应用的特点相对来讲，应用的面更广，所涉及的应用也非常多，需求也是不尽相同。拿DC模块需求来讲：功率从几W到上千W的都有应用。像功率放大器，有可能要应用到600W的模块电源，甚至上千W，而像通讯转换器一些终端的交换设备，则可能用到几W到十几W的DC模块。有可能应用到DC模块电源的相关设备：直放站、基站、干线放大器、塔顶放大器、基站BBU（基带池）、RRU（远端射频单元）、光接入PON、综合接入MSAN，光端机、光纤收发器、协议转换器、路由交换设备、网络控制器、光纤配线架，通信机柜、微波传输设备、光电转换设备、卫星通信车、列车广播主机等。3.电力行业总体来讲，电力行业是电源需求总量应该是最大的，电力是国家传统的支柱行业，也是国家一直支持发展的，像国家智能能电网的改造，便给电源市场以及其他相关行业带来了需求的需求量。但是对DC-DC大功率模块来讲，这个行业却不是很好的选择。因为这个行业用的大多是AC-DC电源。但是话又说回来，电力与其他行业是紧密相连的，如通讯、国安等。所以说过电源，我们都必须把电力行业拿出来讲一讲的。从市场反馈及我们的行业经验来看，大功率DC-DC电源模块只能应用到电力相关的配套设备中去，而难于应用到其中的主流产品里面去。而DC-DC微功率、小功率模块却是电力市场的宠儿，像南瑞集团一个企业，光是DC-DC微功率隔离模块的采购额，每年就达到几千万人民币。如此可见，小功率模块在电力行