應用非隔離直流-直流轉換器設計提高轉換效率

1． 元件選擇

用一組損耗特性適合用于轉換器的元件對四個電路進行仿真，轉換器的輸出為2A 24Vdc，輸入范圍是18到44Vdc。這些參數與現有的電流和電壓表達式一起輸入到數據表中，然后畫出結果曲線進行比較，工作頻率為100kHz。在有兩個開關S1和S2的情況下，接地開關是一個N溝道FET，而上面的開關是一個P溝道FET，二極管是肖特基型，設正向電壓為0.6V。電感為150μH 4A，內阻是0.1Ω，電容為高質量、低阻抗類型，其損耗經過計算表明可以忽略。對FET的開關損耗進行估計，假設開關時間是100ns，忽略二極管的開關損耗，控制電路的損耗假設也是可以忽略的。

FET的特性如下：

P-溝道：

ON Semi MTD5P06V，RDS(on)=0.45ΩN-溝道：

ON Semi NTD15N06，RDS(on)=0.09Ω

電感值選為150μH，這樣電感和其它元件中的紋波電流大約為20%，可以無須顧慮電流波形擺動而將其看作平頂電流脈沖。

2．損耗計算

我們為四個電路設計了一個電子表格，設定輸出電壓為24V，電流為2A，然后將輸入電壓以2V間隔遞增計算其性能。在SEPIC和圖1d(D1=D2)中，因為傳遞函數(Vout/Vin)在電壓低于或高于輸出電壓時是一樣的，所以過程可以簡化。而另外兩個電路則要取決于輸入是小于還是大于輸出而采用不同的函數。

因為FET中的導通損耗是電阻性的，所以要計算導通電流，并進行平方然后乘以電阻，最后乘以導通占空比(D)算出開關周期中的平均損耗。圖1a到圖1d下面的傳遞函數用于確定每個元件的工作條件(以仔細分析每個電路的工作細節)。

電路性能

圖2顯示了四個電路的性能特性，請注意兩個雙模電路表現出的優異性能，特別是當輸入電壓幾乎等于輸出電壓(24V)時它們的效率。SEPIC效率相當高，而且輸入接近輸出電壓時也是如此。當輸入電壓增加時，它的效率更高，因為輸入電流降低了。應注意開關同時驅動(D1=D2)的降壓+升壓電路效率較差。圖3是相同的數據，但是沒有第四個電路，所以垂直坐標可以放大，以便更詳細地比較前三個電路。

注意當輸入電壓低于或高于輸出電壓時，升壓+降壓雙模轉換器的效率更高，這是因為平滑的輸入電流和輸出電流降低了元件的應力。盡管中間電容受紋波電流的影響，但如今有了低阻抗電解電容，它的影響可以不用考慮。

本文結論

對四個電路性能進行建模，可得出降壓+升壓雙模轉換器樣機實驗室測試數據。數據表明該電路在輸入電壓接近輸出電壓時有優異的性能，而升壓+降壓雙模轉換器在更廣的輸入電壓范圍具有很好的性能，比較而言SEPIC電路較簡單，但效率不太高，兩個開關同時驅動的降壓+升壓電路容易控制(但是不如SEPIC簡單)，不過效率也比較低。