開關(guān)電源原理、設(shè)計與實例第3章基本PWM變換器主電路拓撲

開關(guān)電源原理、設(shè)計與實例第3章基本PWM變換器主電路拓撲第一頁，共49頁。本章簡介直流-直流變換器也稱為斬波器，通過對電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負載上，通過改變占空比改變輸出電壓平均值。本章首先對直流斬波電路進行了簡單介紹，重點對5種DC-DC電路拓撲結(jié)構(gòu)、工作原理、關(guān)鍵節(jié)點的波形圖進行了論述，包括：Buck，Boost，Buck-Boost，Cuk。最后概括地介紹了上述4種結(jié)構(gòu)中參數(shù)的計算方法。本章要求了解直流斬波電路技術(shù)的內(nèi)涵，重點掌握4種電路拓撲結(jié)構(gòu)特點、原理及工作過程，從而為開關(guān)電源的設(shè)計打下基礎(chǔ)。第二頁，共49頁。3.1

概述一些拓撲更適用于DC/DC變換器，此時也稱為直流斬波電路。直流斬波是將恒定的直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，一般指直接將一種直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，不包括直流—交流—直流變換。電路選擇時還要看是大功率還是小功率，高壓輸出還是低壓輸出，有些在相同功率輸出下使用較少器件和可靠性之間有較好的折中。較小的輸入/輸出紋波和噪聲也是拓撲經(jīng)常考慮的因素。另外，有些拓撲自身缺陷，需要附加復雜且難以定量分析的電路才能工作。因此，要恰當選擇拓撲，熟悉各種不同拓撲的優(yōu)缺點及使用范圍是非常重要的。錯誤的選擇會使電源設(shè)計一開始就注定失敗。表3-1給出了不同拓撲結(jié)構(gòu)的性能特點，在設(shè)計時綜合考慮其中的參數(shù)，選擇最優(yōu)方案。本章將介紹幾種早期的基本拓撲，Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk等并討論其工作原理、典型波形、優(yōu)缺點以及應用場合。第三頁，共49頁。表3-1開關(guān)電源拓撲的比較3.1

概述第四頁，共49頁。3.2Buck變換器3.2.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理Buck變換器又稱為降壓變換器、串聯(lián)開關(guān)穩(wěn)壓電源、三端開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器。由圖3-1可知，Buck變換器主要包括：開關(guān)元件VT，二極管D1，電感L1，電容C1和反饋環(huán)路。而一般的反饋環(huán)路由四部分組成：采樣網(wǎng)絡(luò)，誤差放大器，脈寬調(diào)制器(PWM)和驅(qū)動電路。圖3-1Buck變換器結(jié)構(gòu)第五頁，共49頁。1.1

概述為了便于對Buck變換器基本工作原理的分析，我們首先作以下幾點合理的假設(shè)：a、開關(guān)元件VT和二極管D1都是理想元件。它們可以快速的導通和關(guān)斷，且導通時壓降為零，關(guān)斷時漏電流為零；b、電容和電感同樣是理想元件。電感工作在線性區(qū)而未飽和時，寄生電阻等于零。電容的等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感等于零；c、輸出電壓中的紋波電壓和輸出電壓相比非常小，可以忽略不計；d、采樣網(wǎng)絡(luò)R1和R2的阻抗很大，從而使得流經(jīng)它們的電流可以忽略不計。

第六頁，共49頁。3.2Buck變換器第七頁，共49頁。3.2Buck變換器圖3-2電路節(jié)點波形圖

第八頁，共49頁。3.2Buck變換器第九頁，共49頁。3.2Buck變換器3.2.2電路關(guān)鍵節(jié)點波形第十頁，共49頁。3.2Buck變換器第十一頁，共49頁。3.2Buck變換器第十二頁，共49頁。3.2Buck變換器第十三頁，共49頁。3.2Buck變換器第十四頁，共49頁。3.2Buck變換器3.2.3主要參數(shù)計算方法第十五頁，共49頁。3.2Buck變換器第十六頁，共49頁。3.2Buck變換器第十七頁，共49頁。3.2Buck變換器第十八頁，共49頁。3.2Buck變換器第十九頁，共49頁。3.2Buck變換器第二十頁，共49頁。3.2.4Buck變換器優(yōu)缺點Buck電路輸入電流斷續(xù)，輸出電流連續(xù)，使用高壓側(cè)開關(guān)。DCMBuck相對于CCMBuck來說，可以減小電感匝數(shù)，減小開關(guān)管的電流應力，但需增大了電感線徑，工作峰值電流會加倍，有效值電流也會較大，輸出二極管的電流應力較大，這樣會導致溫升升高，EMC處理難度加大。3.2Buck變換器第二十一頁，共49頁。3.3Boost變換器3.3.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理第二十二頁，共49頁。3.3Boost變換器第二十三頁，共49頁。3.3Boost變換器第二十四頁，共49頁。3.3Boost變換器第二十五頁，共49頁。3.3Boost變換器第二十六頁，共49頁。3.3Boost變換器第二十七頁，共49頁。3.3Boost變換器3.3.2電路關(guān)鍵節(jié)點波形圖3-7Boost電路主要波形圖第二十八頁，共49頁。3.3Boost變換器圖3-8連續(xù)模式下Boost調(diào)整器VT和電流波形第二十九頁，共49頁。3.3Boost變換器3.3.3主要參數(shù)計算方法第三十頁，共49頁。3.3Boost變換器第三十一頁，共49頁。3.4Buck-Boost變換器3.4.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理第三十二頁，共49頁。3.4Buck-Boost變換器第三十三頁，共49頁。3.4Buck-Boost變換器第三十四頁，共49頁。3.4Buck-Boost變換器3.4.2電路關(guān)鍵節(jié)點波形第三十五頁，共49頁。3.4Buck-Boost變換器3.4.3主要參數(shù)計算方法第三十六頁，共49頁。3.4Buck-Boost變換器第三十七頁，共49頁。3.4Buck-Boost變換器第三十八頁，共49頁。3.4Buck-Boost變換器第三十九頁，共49頁。3.5CUK變換器3.5.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理第四十頁，共49頁。3.5CUK變換器圖3-13Boost-Buck串聯(lián)變換器的等效電路第四十一頁，共49頁。3.5CUK變換器圖3-14CUK變換器及其輸入輸出電流波形第四十二頁，共49頁。3.5CUK變換器圖3-15CUK變換器中電流和電壓的分配第四十三頁，共49頁。3.5CUK變換器第四十四頁，共49頁。3.5CUK變換器