1、DC-DC 变换器主回路元件及其特性 1 功率开关任何一种 DC-DC 变换器，主回路使用的元件只是功率开关、电感和电容。功率开关只有快速地开通、快速地关断这两种状态，并且快速地进行转换。只有快速，状态转换引起的损耗才小。目前使用的功率开关多是双极型晶体管、功率场效应管，逐步普及的有 IGBT 管，还有各种特性较好的新式的大功率开关元件。除了 220V 整流用的二极管是普通整流管外，其他二极管是开关二极管，要求能快速地开关。主回路也不是绝对不能有电阻元件。但前提是极有利于控制性能而又不引起多大的损耗，而且限于在几十瓦以下的小功率变换器中应用。一般其阻值在毫欧级，其所得到的毫欧级电压可作为当前工
2、作周期进行电流控制或保护的信号。2 电感电感是开关电源中常用的元件，由于它的电流、电压相位不同，因此理论上损耗为零。电感常用作储能元件，也常与电容一起用在输入滤波器和输出滤波器上，用于平滑电流，也称它为扼流圈。其特点是流过其上的电流有“很大的惯性”。换句话说，由于“磁通连续”性，电感上的电流必须是连续的，否则将会产生很大的电压尖峰波。电感为磁性元件，有磁饱和的问题。应用中有允许其饱和的，有允许其从一定电流值起开始进入饱和的，也有不允许其出现饱和的，在具体线路中要注意区分。在多数情况下，电感工作在“线性区”，此时电感值为一常数，不随端电压与流过电流而变化。但是，在开关电源中有一个不可忽视的问题，
3、就是电感的绕线所引起两个分布参数（或称寄生参数）的现象。其一是绕线电阻，这是不可避免的；其二是分布式杂散电容，随绕制工艺、材料而定。杂散电容在低频时影响不大，随着频率的提高而渐显出来，到某一频率以上时，电感也许变成电容的特性了。如果将杂散电容“集成”为一个，则从电感的等效电路可以明白地看出在某一角频率后的电容性。在分析电感在线路中工作或绘波形图时，可以考虑下面几个特点：（1） 在电感 L 中有电流 I 流过时，储存有 的能量；（2） 当电感 L 两端的电压 V 不变时，依 公式可知，忽略内阻 R 时，电感电流变化率 ，表明电感电流线性增加；（3） 正在储能的电感器，因为能量不能瞬时突变，若切断
4、电感在变压器原边回路时，能量绝大部分经变压器副边出现的电流输送至负载，原、副边耦合中保持相同的安匝数，维持磁场不变，或每匝伏秒值不变。（4） 像电容器有充、放电一样，电感器也有充、放电电压。电容上的电压与电流的积分（称为安秒值）成正比，电感上的电流与电压的积分（称为伏秒值）成正比，如图 1 所示。只要电感器电压变化，其电流斜率 也变化；正向电压使电流从零线性上升；反向电压使电流线性下降。根据能量守恒原理，在电感器正负伏秒值相等的某一时间点上，线性变化的电流重新降到零。图 1 电感特性与电容特性的比较3 电容电容是开关电源中常用的元件，它与电感一样也是储存电能和传递电能的元件，但对频率的特性却刚
5、好相反。应用上，主要是“吸收”纹波，具有平滑电压波形的作用。实际的电容并不是理想元件。电容器由于有介质、接点与引出线，形成一个等效串联内电阻 ESR。这种等效串联内电阻在开关电源中小信号反馈控制上，以及输出纹波抑制的设计上，起着不可忽略的作用。另外电容等效电路上有一个串联的电感，它在分析电容器滤波效果时，非常重要。有时加大电容量并不能使电压波形平直，就是因为这个串联寄生电感起着副作用。电容的串联电阻与接点和引出线有关，也与电解液有关。常见铝电解电容电解质的成分为 AL2O3,导电率 比空气的约大七倍，为了能继续提高电容量，把铝箔表面做成有规律的凸凹不平状，使氧化膜表面积加大（因为电容量与表面积
6、成正比），加入的电解液可在凹凸面上流动。普通的铝电解电容，在高频脉动电流大幅度增加下，高频阻抗温度上升较大，成了开关电源长寿命的瓶颈。所谓好电容耐纹波电流，耐温升，ESR 值小。如果电容电解液受温度影响，温度升高，电阻减少，即电容串联电阻减小，则是理想的。KX16VB 和 KM16VB 高温长寿命电容的阻抗随温度增加而下降的情况示于图 2 中。图 2 电容阻抗与频率的关系（温度为参变量）温度升高，等效串联电阻(ESR)加大，导致电容寿命减短，这是普通铝电解电容的缺点。为了改善这一缺点，将电解液覆盖在氧化膜表面后将其干燥，形成固体式电解质电容，即“钽电容”。目前又用有机半导体代替电解液，也是固体
7、式电解质电容，称为“OS 电容”，OS 电容的串联电阻小了许多。图 3 中出示常用几种电容的等效串联电阻值，它们工作温度从原来的+85C 提高到 105C或 125C。图 3 各种电容 ESR 的比较在开关电源中的电容器，工作时平均电流为零，但因充、放电电流波形不同，电流有效值是很大的。例如，市电整流输入到开关电源的滤波电路电容，其充电只在市电正弦半波瞬时值高于电容上直流电压的瞬间才发生，而且是低频的（50Hz），由电容放电供电给开关电源，放电频率是高频的（与开关频率相同）。有效值电流 ic(rms)比负载电流 Io大，其计算式为 (1)电容器的选择，除考虑有效值外还要考虑纹波电压和耐压的要求。
