開關電源基本拓撲結構

1、開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林1開關電源基本拓撲結構開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林2開關電源基本拓撲結構一、串聯(lián)型buck converter降壓式(Buck)變換器是一種輸出電壓等于或小于輸入電壓的單管非隔離直流變換 器。下圖給出了它的電路拓撲圖。Buck變換器的主電路由開關管Q，二極管 D，輸出濾波電感Lf和輸出濾波電容Cf構成。開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林3電流連續(xù)時的工作模式 (CCD)Mode 1Mode 2Fig 1.2開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林4電流連續(xù)時(CCM)的工作原理(operating principle) Assumptions： 1. 所用電力

2、電子器件理想，即Q和D的導通和關斷時間為0，通態(tài)電壓為0，斷態(tài)漏電流為0； 2. 在一個開關周期中，輸入電壓Vin保持不變；輸出濾波電容電壓，即輸出電壓認有 很小的紋波，但可認為基本保持不變，其值為Vo； 3. 電感和電容均為無損耗的理想儲能元件； 4. 不計線路阻抗。 5. 在0，Ton期間，Q導通； 6. 在Ton，Ts期間，Q截止。 7. 設開關管開關周期為Ts，則Ts=Ton+Toff, 開關頻率fs1Ts。 8. 若設占空比為Dy，則Dy=TonToff。 9. 改變占空比Dy，即改變了導通時間Ton的長短，這種控制方式稱為脈沖寬度調制控制方式(Pulse width modulat

3、ion，PWM）開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林5Mode 1 0, TonoutinLffVVdtdiLysfoutinonfoutinLfDTLVVTLVVi)(1.1)(1.2)開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林6Mode 2 Ton, TsoutLffVdtdiL)1 ()(ysfoutofffoutLfDTLVTLVi(1.3)(1.4)開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林7Fundamental relationshipLfLfLfiii)()(From (1.2 ) & (1.4)yinoutDVV2maxmin0LfLfIII2221sLfTiQ28)1 (sffoyf

4、ofCLVDCQV(1.5)(1.6) (1.7)(1.8)LfiESRVo(1.9)開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林8電流斷續(xù)時的工作模式 (DCD)Mode 1Mode 2Fig 1.3Mode 3開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林9電流斷續(xù)時(DCM)的工作原理(operating principle) 及基本關系ysfoutinonfoutinLfDTLVVTLVVi)1 (ysoffsfoutofffoutLfDTTDwhereDTLVTLVi(1.10)(1.11)DDDVVyyinout(1.12)(1.13)(21)(21maxmaxDDITTITIyLfonLfsooff開

5、關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林10電感電流臨界連續(xù)max21LfoiIsyfoinLfTDLVVimax(1.14)(1.15)若用IoG表示臨界電流連續(xù)的負載電流, thenysfoutinoGDfLVVI2max21LfooGIII(1.16)開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林11Vin = constant (輸入電壓恒定)For Vo=Vin Dy, so eq.(1.16) can be reformed as: insfyyoGVfLDDI2)1 ( Fig 1.4 Vin=const開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林12Vout = constant (輸出電壓恒定)For V

6、o=Vin Dy, so eq.(1.16) can be reformed as: outsfyoGVfLDI2)1 ( Fig 1.5 Vout=const開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林13二、并聯(lián)型boost converter升壓式(Boost)變換器是一種輸出電壓等于或高于輸入電壓的單管非隔離直流變換 器。下圖給出了它的電路拓撲圖。Boost變換器的主電路由開關管Q，二極管 D，輸出濾波電感Lf和輸出濾波電容Cf構成。開關電源基本拓撲結構開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林14三、倒極性buck-boost converter開關電源基本拓撲結構主電路拓撲和控制方式(Circuit

7、 topology and control mode) 升降壓式(Buck/Boost)變換器是由Buck變換器和Boost變換器串聯(lián)而成. 他將兩只開關管合并為一只開關管。圖3.1給出了它的電路拓撲圖。Buck/Boost變換器的主電路由開關管Q，二極管D，輸出濾波電感Lf和輸出濾波電容Cf構成。開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林15Buck/Boost converter(升降壓變換器)主電路拓撲和控制方式(Circuit topology and control mode) 升降壓式(Buck/Boost)變換器是由Buck變換器和Boost變換器串聯(lián)而成. 他將兩只開關管合并為一只開關

8、管。圖3.1給出了它的電路拓撲圖。Buck/Boost變換器的主電路由開關管Q，二極管D，輸出濾波電感Lf和輸出濾波電容Cf構成。Fig 3.1 Configuration of Buck/Boost converter main circuit開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林16電感電流連續(xù)時的工作模式 (CCD)Mode 1Mode 2Fig 3.2開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林17Mode 1 0, ToninLffVdtdiLysfinonfinLfDTLVTLVi)(3.1)(3.2)電流連續(xù)時(CCM)的工作原理(operating principle)開關電源基本拓撲開關電

9、源技術鄭瓊林18Mode 2 Ton, TsoutLffVdtdiL)1 ()(ysfoofffoLfDTLVTLVi(3.3)(3.4)開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林19Fundamental relationshipLfLfLfiii)()(From (3.2 ) & (3.4)yyinoDDVV1yoLfDII1yoyinoinDQDVDVVVVV1fosyfoCITDCQV(3.5)(3.6) (3.7)(3.8)開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林20電感電流斷續(xù)時的工作模式 (DCD)Mode 1Mode 2Fig 3.3Mode 3開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林21

10、電流斷續(xù)時(DCM)的工作原理(operating principle) 及基本關系ysfinonfinLfLfDTLVTLVIimax)1 (maxysoffsfoLfLfDTTDwhereDTLVIi(3.9)(3.10)DDVVyino)(21maxDDIIIyLfLfin(3.11)(3.12)sfiniyofLVIDDDI2(3.13)開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林22電感電流臨界連續(xù)syfinLfinTDLViI221max(3.14)若用IoG表示臨界電流連續(xù)的負載電流, then)1 ()1 (21yLfyLfoGDIDiI(3.16)設ILfG是臨界連續(xù)電流電感平均值,

11、thenmax21LfiLfGIII(3.15)開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林23Vin = constant (輸入電壓恒定)From eq. (2.14), then the eq.(2.16) and eq.(2.15) can be reformed as: insfyyoGVfLDDI2)1 ( Fig 1.4 Vin=constsfyinLfGfLDVI2開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林24Vout = constant (輸出電壓恒定)osfyoGVfLDI2)1 (2Fig 1.5 Vout=constFrom eq. (2.14), then the eq.(2.16)

12、 and eq.(2.15) can be reformed as: sfyoLfGfLDVI2)1 ( 開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林25四、Cuk converter Cuk變換器是由Boost變換器和Buck變換器串聯(lián)而成. 他將兩只開關管合并為一只開關管。下圖中給出了它的電路拓撲圖。Cuk變換器的主電路由開關管Q，二極管D，輸出濾波電感L1、L2和輸出濾波電容C1、Cf構成。它由加州理工學院（CaliTech）的Slobodan Cuk 教授于1976年提出的。開關電源基本拓撲結構開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林26五、Sepic converterSepic變換器是由Boost

13、變換器和Buck/Boost變換器串聯(lián)而成. 他將兩只開關管合并為一只開關管。下圖中給出了它的電路拓撲圖。Sepic變換器的主電路由開關管Q，二極管D，輸出濾波電感L1、L2和輸出濾波電容C1、Cf構成。開關電源基本拓撲結構開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林27六、Zeta converter Zeta變換器是由Buck/Boost變換器和Buck變換器串聯(lián)而成. 他將兩只開關管合并為一只開關管。下圖中給出了它的電路拓撲圖。Zeta變換器的主電路由開關管Q，二極管D，輸出濾波電感L1、L2和輸出濾波電容C1、Cf構成。開關電源基本拓撲結構開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林28Forward c

14、onverter 是在Buck converter 中插入一個transformer 得到的.特點:1.電路比較簡單,銅耗較低;2.輸出電壓電流紋波較小;3.變壓器磁芯單邊磁化;4.開關管峰值電流較低;5.變壓器是個純粹的變壓器;6.變壓器鐵芯不必加氣隙; 但在有的鐵芯中為了減少Br,需加很小的氣隙.開關電源基本拓撲結構七、 Forward converter 開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林29由buck-boost推演而得. 特點:1.電路簡單,效率高;2.輸出電壓紋波較大;3.處理功率在150W以下;4.應用于電壓和負載調整率 要求不高的場合(6-10%);5.小功率多組輸出特別有效;

15、6.變壓器工作原理與其他類型 的隔離變換器不同;7.變壓器鐵芯必須加氣隙.開關電源基本拓撲結構八、fly-back converter開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林30開關電源基本拓撲結構九、push-pull converterA. 特點：1、磁芯利用率高；2、存在鐵芯偏磁；3、器件承受電壓高。開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林31Push-pull converter (推挽變換器)B. 有續(xù)流二極管時的工作原理開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林32Push-pull converter (推挽變換器)C. 無續(xù)流二極管時的工作原理開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林33A. 特點:1.

16、 變壓器原邊一個線圈,但雙邊磁化,變壓器利用率高;2. 變壓器原邊工作電壓為輸入電源電壓的一半;3. 分壓電容C1和C2能自動消除變壓器的直流偏磁;4. 原邊存在電壓短路的可能性.開關電源基本拓撲結構十、half-bridge converter開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林34B,基本工作原理BSB = 2BmBm-BmIm(max)-Im(max)開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林35C,考慮變壓器漏感時的工作原理BSB = 2BmBm-BmIm(max)-Im(max)開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林36D. 變壓器原邊線圈與輸入端電 流電壓關系)()(rmsPrmsPininin

17、IUIVPinPrmsPVDUDU22)(0)(avePU2/inPVU(1)(2)inrmsPIDI2)(由(1)得PrmsPIDI2)(0)(avePI0)(avePIUP,IPinPIDI1(3)VinUSCf2inVD是開關工作的占空比開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林37E. 變壓器副邊線圈與輸出端 電流電壓關系US,ISVinUSCfDoutVVDSrmsSrmsSoutoutoutVIIUIVP)()(2(4)DVVUDUDoutSrmsS2/ )()(2/ )()(DoutSaveSVVDUUDVVUDoutS2/)(outSII 由(4)得SrmsSIDI)(SaveSDII)(outrmsSIDI)(outaveSDII)(,(5)(6)開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林38F. 磁通復位與偏磁VinUSCfBSB = 2BmBm-BmIm(max)-Im(max)1, 磁通復位BSB = 2BmBm-BmIm(max)-Im(max)UP,IP2inV開關電源基本拓撲開關電源技術鄭瓊林39G. 磁通復位與直流偏磁VinUSCf2, 直流偏磁與防止措施BSB = 2BmBm-BmIm(max