各种开关电源电路原理详细解剖

12•3.1概述•3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）•3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）•3.4直流降压-升压变换器（BUCK-BOOST变换器）•3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）•3.6两象限、四象限直流-直流变换器•3.7单端正激变换器和单端反激变换器1直流直流变换器3一、基本概念DC-DC变换器定义:只对直流参数进行变换的电路3.1概述4一般结构：完成的功能：•直流电幅值变换•直流电极性变换3.1概述(续1)5二.理想直流变换器应具备的性能1.输入/输出端的电压均为平滑直流,无交流谐波分量2.输出阻抗为零3.1概述（续2）63.快速动态响应,抑制干扰的能力强4.高效率/小型化3.1概述（续3）73.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）一、BUCK电路拓扑•T是全控元件(GTR,GTO,MOSFET,IGBT)，当时，T导通。•D：续流二极管。•L和C组成LPF。],0[DTt8二、工作原理•当时，控制信号使得T导通，D截止，向L充磁,向C充电；•当时，T截止，D续流，U0靠C放电和L中电流下降维持。],0[DTt],[TDTt3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续1）9三、主要波形两种理解方式：能量存储/电气工程滤波功能/电信工程3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续2）10四、假设及参数计算1.T，D均为理想器件2.L较大，使得在一个周期内电流连续且无内阻3.直流输出电压U0为恒定4.整个电路无功耗5.电路已达稳态3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续3）11(一)、晶体管T导通工作模式（0≤t≤t1=KT）(二)、二极管D导通工作模式（t1≤t≤T）由（一）、（二）得：0LLddiuuuLdt21011dIIIUULLtt01()dUUtIL21III021IULtt021()UttIL01021()()dUUtUttILL121,(1)tkTttkT0dUkU3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续4）12若假定Buck电路为无损的，则有即开关周期T可表示为可求得的表达为或000ddUIUIkUI0IkI00()1()ddILUTfUUUI00()ddUUUIfLU(1)dUkkIfL3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续5）13因此，电容上电压峰-峰脉动值为得或42ITQ8cQIUCfC002()8dcdUUUULCfU02(1)8cUkkULCf3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续6）14五、分析方法小结1、定性画出关键波形；2、由于LC网路的输入是方波，采用分时区线性化处理3、理想化处理：器件、电源和负载；4、在DC/DC变换器中，降阶处理：假定电容上的端压为恒定值，将二阶微分方程降为一阶微分方程5、稳态条件下的的两个重要定律：TLdtu00Tcdti00电感伏秒平衡：电容电荷平衡：3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续7）15问题1：BUCK电路中，L、C对电感电流iL脉动大小和输出电容电压uc的脉动大小分别有何影响？•LI•L，CUC•fI，UC•I，UC确定，则：•fC，L(1)dUkkIfL02(1)8cUkkULCf3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续8）16六、电流断续时的状况1、求Av根据伏秒平衡律：2、求Dp平均电流：PdVpdPdDDDUUAUDDDUTDUDTUU0000)()(TDLUIP00)(2)(21)(21000PPPPDDTDLUDDITTDDII3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续9）17解得：ooPPRUDDTDLUI)(2000202PpoDDDTRL2/8002TRLDDDP200/8112TDRLAV3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续10）18七、典型应用3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续11）19作业1、比较CCM和DCM工作时，电压增益和电流增益公式，电感上电压的差别。2、试述CCM和DCM工作的优缺点。3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续12）203.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）一、BOOST电路拓扑213.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续1）二、工作原理当],,0[1ttdLDTgUuoffVonVu,,,022021,/,/,0],,[UuuonVoffVutttdLDTg3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续2）23三、主要波形3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续3）24四、参数计算（一）、晶体管T导通工作模式（0≤t≤t1=KT）（二）、二极管D导通工作模式（t1≤t≤T）由（一）、（二）可得：将代入上式，则求得2111dIIIULLtt1dUtIL021dIUULtt210()()dttUUIL1021()()ddUtUUttILL121,(1)tkTttkT01dUUkKKo13.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续4）25说明:1)K01，AV1，所以U0Ud，是升压电路。2)可以调压。两种模式：能量的传输模式1：0tKT，T/on，D/off，电流iL升高，等效电路：模式2：KTtT，T/off，D/on，电流iL降低，等效电路：0000,,,UKKKUUd3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续5）26设BOOST电路是无损的在0—t1期间，二极管D截止，电容C向负载提供能量，电容电压的脉动量取决于在这期间电容上释放的电荷量，当输出电压的脉动量远小于输出电压时，负载电流的脉动量可以忽略。则电容电压的脉动量为或01IIk110100011ttCCItUidtIdtCCC0CIkUfC3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续6）27五、典型应用(1)3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续7）28六、典型应用(2)•作业：1.设计一个BUCK变换器并进行仿真，条件：f=25KHz，Ui=300v，Uo=150v，Io=6A，Io=1A，Upp=10v；2.设计一个BOOST变换器，条件：f=100KHz，Ui=150v，Uo=300v，Io=6A，IL=1A，Upp=10v。3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续8）29思考题及作业1、BOOST电路能否空载运行？空载运行会带来什么问题？2、BOOST电路启动过程通常采用软启动，即占空比逐步增大的方法，为什么？3、在启动过程，BOOST电路的主电路和控制电路的时序为主电路先于控制电路工作，为什么？3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续9）303.4直流降压升压变换器(Buck-Boost变换器)313.4直流降压升压变换器(Buck-Boost变换器)（续1）一、电路•输入和输出反相，输出电压可以大于或小于输入电压。二、工作原理•在T导通时，D截止，电源向Ld输送能量,输出电压是靠C0的放电保持基本不变；•在T/off时，D/on，把存放在中的能量释放给负载和电容。32三、主要波形3.4直流降压升压变换器(Buck-Boost变换器)（续2）33四、参数计算(一)、晶体管T导通工作模式（0≤t≤t1=KT）(二)、二极管D导通工作模式（t1≤t≤t2=T）由(一)、(二)可得：2111dIIIULLtt1dUtIL021IULtt210()ttUIL1021()dUtUttILT121,(1)tkTttkT01dkUUk3.4直流降压升压变换器(Buck-Boost变换器)（续3）34设BUCK-BOOST电路是无损的从式（4-28）可得电容电压的脉动量为01kIIkdUkIfL110100011ttCCItUidtIdtCCC0CIkUfC3.4直流降压升压变换器(Buck-Boost变换器)（续4）35图中由开关T、二极管D和L1、L2、C1构成的电路既能实现DC/DC升压变换又可实现降压变换，称为直流升压－降压变换器，Cuk变换器。•3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）36一、CUK电路的特点1.输入，输出电流皆没有脉动，只是在直流成分的基础上附加了一个不大的开关纹波；2.既可升压也可降压；3.开关晶体管发射极接地；4.输入输出电压反相。二、CUK电路•BUCK电路：以C1作为输入电源；R为负载，所以输出电流为连续。•BOOST电路：以Ud作为输入电源；LPF为负载。与普通的BOOST电路相比，D与C1交换了以下位置，由于L1存在，所以输入电流为连续。3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续1）37三、工作原理•这个电路的关键是靠C1传输能量在期间，VT/on，VD/off。输入电路：Ud给L1充磁；输出电路：Uc1给L2充磁。在期间，VT/off，VD/on。输入电路：把L1中的存能送给C1，给C1充电，L1，L2中的能量均是减小的；输出电路：靠L2，C2中的存能维持输出电压基本不变。01UUudC],0[1tt],[21ttt3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续2）38波形1、两个电感上的电压是相等的。2、管子所承受的反压=输入电压+输出电压=C1上的电压。3、管子所流过的电流=输入电流+输出电流4、C1充当了一个直流电源；作用存储能量/使得前后两级独立工作。3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续3）39四、电路分析(连续模型)1.均值等效电路所以电感两端的均值电压为0，相当于虚短。所以电容中的电流的均值为0，相当于虚断。00dtuTL00Tcidt3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续4）402.CUK均值等效电路3.电压增益L1电压的瞬时值：若C1，C较大，认为电压恒定即：所以01UUUdC11LudU],0[KTt],[TKTt1CduU0211,UUUuCCC1LudU],0[KTt],[TKTt01UUUCd23.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续5）41L2电压的瞬态值：结论：如果则2LudCUUu010U],0[KTt],[TKTt12,CC312LLuu4000)1(TUKTUKKTUdDDDDAV00121021)1(IITUKIKTUId53.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续6）42Cuk：Buck：Boost：所以Buck-Boost及Cuk的增益为Buck与Boost增益的积。电流增益：4.输出，入端电流脉动入端:出端:DDDDAV001DAV0DAVDDIIAdI0061LDTUIdd2201)(LDTULDTUUIdco783.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续7）43上式说明：如果L1↑，△Id↓，如果L2↑，△Id↓。式7和式8相除得：上式再次证明了uL1=uL2的结论。输入电流的最大值：输出电流的最大值：VT电流最大值：dtdiLdtdiLLLIIdd10212010022LDTUIDDIIIddddm200002LDTUIIIIdmmdmTMIII01093.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续8）44注意：iT的最大值发生在t=DT，与Id，I0的最大值同时发生。5.波形(自己画)3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续9）45小结：不同变换器比较3.5直流升