第一章基本開關(guān)型

1、第一章 基本開關(guān)型變換器主電路拓?fù)溟_關(guān)電源的基本元件：開關(guān)電源的基本元件：有源開關(guān)有源開關(guān)(Switch)二極管二極管(Diode)電感電感(Inductor)電容器電容器(Capacitor)變壓器變壓器(Transformer)+ u(t) -i(t)dttduCti)()(電容的基本方程電容的基本方程1. 當(dāng)一電流流經(jīng)電容當(dāng)一電流流經(jīng)電容, 電容兩端的電壓逐漸增加電容兩端的電壓逐漸增加, 并且電容量越大電流增加并且電容量越大電流增加越慢越慢.CItU CI+U- 2. 在穩(wěn)態(tài)工作的開關(guān)電源中流經(jīng)電容的電流對(duì)時(shí)間的積分為零。在穩(wěn)態(tài)工作的開關(guān)電源中流經(jīng)電容的電流對(duì)時(shí)間的積分為零。I+I-AB

2、面積A=面積B+ u(t) -i(t)dttdiLtu)()(電感的基本方程電感的基本方程1. 當(dāng)一電感突然加上一個(gè)電壓時(shí)當(dāng)一電感突然加上一個(gè)電壓時(shí), 其中的電流逐漸增加其中的電流逐漸增加, 并且電感量越大電并且電感量越大電流增加越慢流增加越慢.2. 當(dāng)一電感上的電流突然中斷當(dāng)一電感上的電流突然中斷, 在其兩端會(huì)產(chǎn)生一瞬時(shí)高壓在其兩端會(huì)產(chǎn)生一瞬時(shí)高壓, 并且電感量越并且電感量越大該電壓越高大該電壓越高LUtI ULI+U-LItLIU電感的伏秒平衡原則：電感的伏秒平衡原則：dttdiLtu)()(u(t)i(t)V+V-t1t2LttVdttuLItt)()(10110t0)()(1201tt

3、VttVII對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)IILttVdttuLItt)()(11221伏秒平衡原則伏秒平衡原則: 在穩(wěn)態(tài)工作的開關(guān)電源中電感兩端的正伏秒值等于負(fù)伏秒值在穩(wěn)態(tài)工作的開關(guān)電源中電感兩端的正伏秒值等于負(fù)伏秒值.V+V-ABV+V-AB面積A=面積B分析開關(guān)電源中電容和電感的幾條原則：分析開關(guān)電源中電容和電感的幾條原則：電容兩端的電壓不能突變 (當(dāng)電容足夠大時(shí),可認(rèn)為其電壓不變)。電感中的電流不能突變 (當(dāng)電感足夠大時(shí),可認(rèn)為其電流恒定不變)。流經(jīng)電容的電流平均值在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)為零。電感兩端的伏秒積在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)必須平衡。dttduCti)()(dttdiLtu)()(TUIL*TIUC*恒流充電恒

4、壓儲(chǔ)能兩個(gè)有用的公式：兩個(gè)有用的公式：C:L: 開關(guān)電源的工作原理 開關(guān)電源的工作原理可以用上圖進(jìn)行說明。圖中輸入的直流不穩(wěn)定電壓Ui經(jīng)開關(guān)S加至輸入端，S為受控開關(guān)，是一個(gè)受開關(guān)脈沖控制的開關(guān)調(diào)整管。開關(guān)S按要求改變導(dǎo)通或斷開時(shí)間，就能把輸入的直流電壓Ui變成矩形脈沖電壓。這個(gè)脈沖電壓經(jīng)濾波電路進(jìn)行平滑濾波就可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓Uo。 定義脈沖占空比如下：TtDon式中，T表示開關(guān)S的開關(guān)重復(fù)周期；ton表示開關(guān)S在一個(gè)開關(guān)周期中的導(dǎo)通時(shí)間。開關(guān)電源直流輸出電壓Uo與輸入電壓Ui之間具有如下關(guān)系： Uo=UiD 1.1 Buck 變換器基本電路模型 - Buck 變換器變換器降壓變換器、

5、串聯(lián)開關(guān)穩(wěn)壓電源開關(guān)閉合時(shí)，電能儲(chǔ)存于電感和電容中(同時(shí)也饋向負(fù)載)。開關(guān)打開后，儲(chǔ)存于電感和電容中的能量繼續(xù)供給負(fù)載。二極管構(gòu)成電流回路三點(diǎn)假設(shè)場效應(yīng)晶體管、開關(guān)二極管均是理想開關(guān)器件；電感、電容是理想元件；1. 輸出電壓中小的紋波電壓與輸出電壓相比可以忽略。降壓型轉(zhuǎn)換器控制電路控制電路VINVOUTVdiodeVGateILIT-VDVIN0VIN0Imax I1.電感電流連續(xù)電感電流連續(xù)VsVoDLIoSSULILVs-Vo-VooIIoD11-D1T根據(jù)L的伏秒平衡原則：(Vs-Vo)*D1Ts=Vo*(1-D1)TsVo=Vs *D1L*Io=Vo *(1-D)TIs根據(jù)L在1-D時(shí)

6、間的基本方程：Io=Vo *(1-D)T/LBuck電路的輸入輸出關(guān)系電路的輸入輸出關(guān)系,電壓增益：電壓增益：00.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.10.20.30.40.50.60.70.80.9110Vo D()10DVo/Vs = M2. 電感電流不連續(xù)工作狀態(tài)D3TsVgs VL iLIo即是iL面積在Ts時(shí)間內(nèi)的平均值，且等于Vo/R:RVTDDDVVTDDTIosossso)(21112121I。 即不連續(xù)狀態(tài)下降壓變換器的電壓增益M為：18112DVVMLso在連續(xù)和不連續(xù)狀態(tài)下，降壓變換器電壓增益M與占空比D1 的函數(shù)關(guān)系MD1sLTRL 2. 電感電

7、流中點(diǎn)與平均值Io的關(guān)系 3. 連續(xù)與不連上工作狀態(tài)的臨界條件)1 (22221222DfPVtIVTDIVTRDLsoooffoosooscLsRTLD22定義臨界電感LcRVITDLVoioosL22221 4. 紋波電壓oVsLcoTicttdtiCV81121sosooTLCDVTttLCVV8)(8212 5. Buck電路的特點(diǎn) 1.V0是V1在Ts內(nèi)的平均值。 2.is是帶斜坡脈動(dòng)的 3.截止頻率fcRVKIss理想狀態(tài)下：RVIVoss2LCfc21 穩(wěn)態(tài)特性與元器件參數(shù)的量化連續(xù)模型不連續(xù)模型ML1.2 Boost 變換器基本電路模型 - Boost 變換器變換器(升壓型升壓

8、型)開關(guān)閉合，電感中儲(chǔ)存能量。開關(guān)打開時(shí)，電感中儲(chǔ)存的能量通過二極管供給負(fù)載，同時(shí)對(duì)電容充電。負(fù)載電壓跌落時(shí)，電容再放電，輸出可獲得高于輸入的電壓。基本電路模型 - Boost 變換器變換器(升壓型升壓型) 電路各點(diǎn)的波形-（Vo Vs)Vs0Vgs0Imax I 1. 電壓增益與占空比的關(guān)系 （1）電感電流連續(xù)工作狀態(tài)sSLTDLVi11sSoLTDLVVi22122111DDDDVsVoMmaxmax11DM 顯然，若轉(zhuǎn)換中無能量損耗，則有 （2）電感電流不連續(xù)工作狀態(tài)ssLTLDVi221111DIIVVsoos （2）電感電流不連續(xù)工作狀態(tài)ssLsTLDViI2211臨界時(shí)ssssoT

9、LDVVoTLDVDI2(212)11211)1(2DIDTVLosoc122111DDDDVsVoMVoDDDVsVo211 211)1 (2DDRTLscL)21(221DDDDRTLscL)211 (2112LLDDD2/21121LDM不連續(xù)工作區(qū)連續(xù)工作區(qū)MD1 （3）電壓增益受寄生參數(shù)的影響1222RRDDM D1 2. 電感電流連續(xù)與不連續(xù)工作狀態(tài)的臨界條件sLIi 21連續(xù)狀態(tài)：臨界狀態(tài)：不連續(xù)狀態(tài)：sLIi 21sLIi 21211)1 (2DDRTLscL211)1 (2DDRTLscL111DVsVoM321MMLc074.0LcLcMD1連續(xù)工作區(qū)域不連續(xù)工作區(qū)域連續(xù)工

10、作區(qū)域074.0LcLc不連續(xù)工作區(qū)域 穩(wěn)態(tài)特性分析 1.)(1DfM 2/21121LDM1221LDLDM2211L 大功率升壓變換器工作狀態(tài)的設(shè)計(jì) 穩(wěn)態(tài)特性與元器件參數(shù)的量化 啟動(dòng)過程特性分析1.3 Buck-Boost 變換器VinVoDLIoS1DS2基本電路模型 Buck-Boost (反轉(zhuǎn)電路反轉(zhuǎn)電路)開關(guān)接通，電感中流過電流，儲(chǔ)存能量。開關(guān)斷開，電感中電流流向負(fù)載。由于二極管的接法，負(fù)載得到反極性的電壓。負(fù)載電壓跌落時(shí)，電容再向負(fù)載放電。 主要概念與關(guān)系式1.電壓增益 根據(jù)伏秒平衡原理，有sossTDVTDV2121DDVVMso當(dāng)D10.5，升壓變換中各量關(guān)系假設(shè)變換器效率很

11、高，幾乎沒有損耗，則oossIVIV12DDVVIIosso連續(xù)工作狀態(tài)：121 DD111DDVVIIosso Vs: IomaxminssVVmax1max1min1DDVVsomin1min1max1DDVVsomaxminooIImax1max1maxmax1DDIIsomin1min1minmin1DDIIso 臨界條件2)1 (12ML21)1 (2DL 紋波電壓sTDLCVsVo18不連續(xù)工作區(qū)連續(xù)工作區(qū)MD1不連續(xù)工作區(qū)連續(xù)工作區(qū)MLc21.4 Cuk 變換器Boost - Buck變換器Boost - Buck變換器開關(guān)閉合，輸入、輸出環(huán)路閉合。電容C1供能給負(fù)載及L2。二極

12、管截止。開關(guān)打開時(shí)，二極管導(dǎo)通，對(duì)電容C1充電。輸入、輸出環(huán)路閉合。電感中儲(chǔ)存的能量通過二極管供給負(fù)載。負(fù)載電壓跌落時(shí)，電容再放電。三、穩(wěn)態(tài)波形圖穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感電壓平均值為零。環(huán)路：Vs、L1、C1、L2、Vo、Vs中，有oscVVV1VT導(dǎo)通時(shí)，sLVV1SocLVVVV12穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感電壓平均值為零。環(huán)路：Vs、L1、C1、VD、Vs中，有11LscVVVVT截止時(shí)，oLVV1oLVV2四、主要概念與關(guān)系式電壓增益從L1的儲(chǔ)放能計(jì)算Ton期間sLVV1sSonLTDLVi11 Toff期間sCLVVV11sScoffLTDLVVi)1(1111從L2的儲(chǔ)放能計(jì)算sScsSTDLVVTDLV)1(111111211DVDVVSSc Ton期間ocLVVV12soconLTDLVVi1212 Toff期間oLVV2(1)soffLTDLVoi)1(12211DVoVc(2)比較（1）（2）式，有11211DDDDVVoMs當(dāng)D10.5，M0.5，M1,升壓 2. 臨界條件2)1 (12ML21)1 (2DL21/ LLL 3. 不連續(xù)工作狀態(tài) 晶體管導(dǎo)通，二極管截止 晶體管截止，二極管導(dǎo)通