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直流开关电源的拓扑结构

发布时间:2020-07-21 17:39:05 阅读: 来源:防撞条厂家

开关电源可分为直流开关电源和交流开关电源,是按输出来区分的,交流开关电源输出的是交流电,而直流开关电源输出的是直流电,这里介绍的是直流开关电源。随着相关元器件的发展,直流开关电源以其高效率在很多场合代替线性电源而获得广泛应用。

本文引用地址:直流开关电源与线性电源相比一般成本较高,但在有些特别场合却更简单和便宜,甚至几乎只能用开关电源,如升压和极性反转等。直流开关电源还可分为隔离的和不隔离的两种,隔离的是采用变压器来实现输入与输出间的电气隔离,变压器还便于实现多路不同电压或多路相同电压的输出。

直流开关电源结构复杂,设计和分析都有较特别的一套理论和方法,这里主要介绍6种基本的不隔离的直流开关电源结构形式和其特点,便于依据应用场合来选择使用。

理想假定:为便于分析,常假定存在如下理想状态

1. 电子器件理想:电子开关管Q和D的导通和关断时间为零,通态电压为零,断态漏电流为零

2. 电感和电容均为无损耗的理想储能元件,且开关频率高于LC的谐振频率

3. 在一个开关周期内,输入电压Vin保持不变

4. 在一个开关周期内,输出电压有很小的纹波,但可认为基本保持不变,其值为Vo

5. 不计线路阻抗

6. 变换器效率为100%

一、Buck变换器:也称降压式变换器,是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。

图中,Q为开关管,其驱动电压一般为PWM(Pulse width modulation脉宽调制)信号,信号周期为Ts,则信号频率为f=1/Ts,导通时间为Ton,关断时间为Toff,则周期Ts=Ton+Toff,占空比Dy= Ton/Ts。

Buck变换器有两种基本工作方式:

CCM(Continuous current mode):电感电流连续模式,输出滤波电感Lf的电流总是大于零

DCM(Discontinuous current mode):电感电流断续模式,在开关管关断期间有一段时间Lf的电流为零

1.1 CCM时的基本关系:

1.2 DCM时的基本关系:

DCM可分为两种典型情况:

输入电压Vin不变,输出电压Vo变化,常用作电动机速度控制或充电器对蓄电池的恒流充电

输入电压Vin变化,输出电压Vo恒定,即普通开关稳压电源

1.3 电感电流临界连续的边界:

1.3.1 输入电压恒定不变时:Vin=const

可画出Buck变换器在Vin=const时的外特性曲线:

图中虚线为电感电流临界连续的边界,内部为电流断续区,外面为电流连续区。

理想情况下,在电流断续区输出电压仅由占空比Dy确定。实际电路中,因元器件的非理想化,在电感电流的连续区,Buck变换器的外特性也是下降的,即Io加大,Vo降低。为保持Vo不变,在Io增加时,要适当加大占空比Dy。

1.3.2 输出电压恒定不变时:Vo=const

可画出Buck变换器在Vo=const时的标幺特性曲线:

图中虚线为电感电流临界连续的边界,右上方为电流连续区,左下为电流断续区。

在电感电流临界连续时,若加大负载,则进入电流连续工作区;减小负载,则进入电流断续区。

若负载不变,减小输入电压Vin,为使Vo不变,应加大Dy,也进入电流连续区。

二、Boost变换器:也称升压式变换器,是一种输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器。

开关管Q也为PWM控制方式,但最大占空比Dy必须限制,不允许在Dy=1的状态下工作。电感Lf在输入侧,称为升压电感。Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式。

2.1 CCM时的基本关系:

Q导通时为电感Lf储能阶段,此时电源不向负载提供能量,负载靠储于电容Cf的能量维持工作;Q关断时,电源和电感共同向负载供电,此时还给电容Cf充电。变换器必须接负载,不然会因能量不断送到负载端而使Vo不断升高而损坏。

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