开关电源原理、设计及实例[陈纯锴][电子教案(PPT版本)]第3章

3.1概述3.2Buck变换器3.3Boost变换器3.4Buck-Boost变换器3.5CUK变换器第3章基本PWM变换器主电路拓扑本章简介直流-直流变换器也称为斩波器，通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比改变输出电压平均值。本章首先对直流斩波电路进行了简单介绍，重点对5种DC-DC电路拓扑结构、工作原理、关键节点的波形图进行了论述，包括：Buck，Boost，Buck-Boost，Cuk。最后概括地介绍了上述4种结构中参数的计算方法。本章要求了解直流斩波电路技术的内涵，重点掌握4种电路拓扑结构特点、原理及工作过程，从而为开关电源的设计打下基础。3.1概述一些拓扑更适用于DC/DC变换器，此时也称为直流斩波电路。直流斩波是将恒定的直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，一般指直接将一种直流电变为另一直流电，不包括直流—交流—直流变换。电路选择时还要看是大功率还是小功率，高压输出还是低压输出，有些在相同功率输出下使用较少器件和可靠性之间有较好的折中。较小的输入/输出纹波和噪声也是拓扑经常考虑的因素。另外，有些拓扑自身缺陷，需要附加复杂且难以定量分析的电路才能工作。因此，要恰当选择拓扑，熟悉各种不同拓扑的优缺点及使用范围是非常重要的。错误的选择会使电源设计一开始就注定失败。表3-1给出了不同拓扑结构的性能特点，在设计时综合考虑其中的参数，选择最优方案。本章将介绍几种早期的基本拓扑，Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk等并讨论其工作原理、典型波形、优缺点以及应用场合。表3-1开关电源拓扑的比较拓扑功率范围/WVin（de）范围/V输入输出隔离典型效率（%）相对成本Buck电路0～10005～40无701.0Boost电路0～1505～40无801.0Buck-Boost电路0～1505～40无801.0正激式电路0～1505～500有781.4反激式电路0～1505～500有801.2推挽式电路100～100050～1000有752.0半桥电路100～50050～1000有752.2全桥电路400～2000+50～1000有732.53.1概述3.2Buck变换器3.2.1电路结构及工作原理Buck变换器又称为降压变换器、串联开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。由图3-1可知，Buck变换器主要包括：开关元件VT，二极管D1，电感L1，电容C1和反馈环路。而一般的反馈环路由四部分组成：采样网络，误差放大器，脉宽调制器(PWM)和驱动电路。VGL1V1IVT误差放大器反馈环路驱动电阻vwmveaPWM-+VSVtrVref-+ISI0V0RLR1R2C1IL1IC1ID1VTVdc图3-1Buck变换器结构1.1概述为了便于对Buck变换器基本工作原理的分析，我们首先作以下几点合理的假设：a、开关元件VT和二极管D1都是理想元件。它们可以快速的导通和关断，且导通时压降为零，关断时漏电流为零；b、电容和电感同样是理想元件。电感工作在线性区而未饱和时，寄生电阻等于零。电容的等效串联电阻和等效串联电感等于零；c、输出电压中的纹波电压和输出电压相比非常小，可以忽略不计；d、采样网络R1和R2的阻抗很大，从而使得流经它们的电流可以忽略不计。3.2Buck变换器在以上假设的基础上，下面我们对Buck变换器的基本原理进行分析。如图3-1所示，当开关元件VT导通时，电压1V与输入电压dcV相等，晶体管1D处于反向截至状态，电流01DI。电流1VTLII流经电感1L，电流线性增加。经过电容1C滤波后，产生输出电流oI和输出电压oV。采样网络1R和2R对输出电压oV进行采样得到电压信号SV，并与参考电压refV比较放大得到信号。如图3-2(a)所示，信号eaV和线性上升的三角波信号trV比较。当eatrVV时，控制信号WMV和GV跳变为低，开关元件VT截止。此时，电感L1为了保持其电流1LI不变，电感1L中的磁场将改变电感1L两端的电压极性。这时二极管1D承受正向偏压，并有电流1DI流过，故称1D为续流二极管。若1LoII时，电容1C处于放电状态，有利于输出电流oI和输出电压oV保持恒定。开关元件截至的状态一直保持到下一个周期的开始，当又一次满足条件treaVV时，开关元件M1再次导通，重复上面的过程。3.2Buck变换器(d)(c)(b)(a)TonVGVwmOVV1VdcVtrVea图3-2电路节点波形图3.2Buck变换器仔细分析Buck变换器的原理图可知，它的反馈环路是一个负反馈环路。如图3-3所示，当输出电压oV升高时，电压SV升高，所以误差放大器的输出电压eaV降低。由于eaV的降低，使得三角波trV更早的达到比较电平，所以导通时间onT减小。因此，Buck变换器的输入能量降低。由能量守恒可知，输出电压oV降低。反之亦然。VOVeaTonVOVOVeaTonVOVSVS图3.3Buck变换器的负反馈环路3.2Buck变换器3.2.2电路关键节点波形TonToffVdc000I1I20ID1IOtI1I2I1I20IL1ttttIC1IVTV1TTonToffVdc0000ID1IOt0IL1ttttIC1IVTV1TTdTid3.2Buck变换器1．Buck变换器的CCM工作模式由定义可知，Buck变换器的CCM模式是指每个周期开始时电感1L上的电流不等于零，图3-4(a)给出了Buck变换器工作在CCM模式下的主要波形。设开关VT的导通时间为onT，截止时间为offT，工作时钟周期为T，则易知有offonTTT(3-1)开关VT的状态可以分为导通和截止两种状态。假设输入输出不变，开关VT处于导通状态时，电压dcVV1，此时电感1L两端的电压差等于dcoVV，电感电流1LI线性上升，二极管电流01DI。在开关VT导通的时间内，电感电流的增量为1011onTdcodcoLonVVVVidtTLL(3-2)其中，1Li表示开关VT导通时间内电感电流的增量(A)；1L表示电感1L的电感量(H)。当开关VT处于截止状态时，电感电流的增量为'1011offTooLoffVVidtTLL(3-3)其中，'1Li表示开关VT截止时间内电感电流的增量(A)；当Buck变换器处于稳态时，电感电流的增量'11LLii，所以11dcooonoffVVVTTLL(3-4)整理可得ononodcdconoffTTVVVTTT(3-5)3.2Buck变换器2．Buck变换器的DCM工作模式由定义可知，Buck变换器的DCM工作模式是指每个周期开始时电感1L上的电流等于零，图3.4(b)给出了Buck变换器工作在DCM模式下的主要波形。由图3.4(b)可知，DCM工作模式下Buck变换器共有三种状态：开关管VT导通，二极管1D导通和系统闲置(即开关管VT和二极管1D都关闭)。设开关VT的导通时间为onT，截止时间为offT，二极管导通时间为dT，系统闲置时间为idT，工作时钟周期为T，则易知有iddonoffonTTTTTT(3-8)在开关VT导通的时间内，电感电流的增量为1011onTdcodcoLonVVVVidtTLL(3-9)其中，1Li表示开关VT导通时间内电感电流的增量(A)。开关VT截止时，电感电流的增量为'1011dTooLdVVidtTLL(3-10)3.2Buck变换器当Buck变换器处于稳态时，电感电流的增量'11LLii，所以11dcooondVVVTTLL(3-11)整理可得onOdcondTVVTT(3-12)Buck变换器DCM模式下的电压增益为212811odcVGVKB(3-13)其中，TTBon1，TRLKL1。3.2Buck变换器1．Buck变换器电感的计算选择Buck变换器电感的主要依据是变换器输出电流的大小。假设Buck变换器的最大额定输出电流为maxoI，最小额定输出电流为minoI。当Buck变换器的输出电流等于maxoI时，仍然要保证电感工作在非饱和状态，这样电感值才能维持恒定不变。电感值1L的恒定确保了电感上的电流线性上升和下降。其次，最小额定输出电流minoI和电感值1L决定了Buck变换器的工作状态是否会进入DCM模式。我们知道，当Buck变换器工作在CCM模式时有oondcVTTV(3-14)且当输出电压oV，输入电压dcV和变换器的工作周期T不变时，导通时间ONT保持不变。由CCM模式和DCM模式的临界条件可知，CCM模式的最小输出电流为3.2Buck变换器3.2.3主要参数计算方法min12oIi(3-15)又因为1dcoonVViTL(3-16)联立式(3-14)，(3-15)和(3-16)得Buck变换器CCM模式和DCM模式的临界电感值为minmin2*2*dcoodcoocodcodcVVVTVVVLTIVIV(3-17)3.2Buck变换器2.Buck变换器输出电容的选择和纹波电压Buck变换器输出电容的选择和纹波电压的大小密切相关。我们知道，实际的电容1C可以等效为如图3-5所示的电路结构。其中电阻0R为等效串联电阻，电感0L为等效串联电感。当频率低于300KHz或500KHz时，电容1C的等效串联电感可以忽略，输出纹波电压主要取决于电容0C和等效串联电阻0R。3.2Buck变换器3.2Buck变换器的等效电路IOtIOtVO1LiVpp_coVO12LiT/2T0C0R0L1C1D1L1L1D1C0CV1CI1LI1CI0CV由上图可知，电容1C上的电流为110CLIII(3-18)所以，电容1C上的电流最大变化量为1Li，故等效串连电阻0R上产生的电压波动峰峰值为01_0ppRLViR(3-19)电容0C上的电压纹波峰峰值为11_00012228LLppcoiTiTQVCCC(3-20)所以，输出电压oV上的电压纹波ppV为111_0_00008()8LppppRppcoLLiTVVViRCTiRC(3-213.2Buck变换器但从一些厂家的产品手册可知，大多数常用铝电解电容00RC是一个常数，且等于6508010F－～。而Buck变换器的工作频率一般为20～50KHz，所以其周期为6205010S－～。因此，0_000_0888oppRppCVRRCTVTC(3-22)所以，一般情况下我们可以忽略电容0C产生的纹波电压，那么电压纹波ppV近似为01_0ppppRLVViR(3-23)而电压纹波和电感电流变化量可以由系统参数得到，所以可以求出变量0R的值。然后由常用铝电解电容00RC是一个常数可以计算出系统应该选用的电容值0C3.2Buck变换器3.2.4Buck变换器优缺点Buck电路输入电流断续，输出电流连续，使用高压侧开关。DCMBuck相对于CCMBuck来说，可以减小电感匝数，减小开关管的电流应力，但需增大了电感线径，工作峰值电流会加倍，有效值电流也会较大，输出二极管的电流应力较大，这样会导致温升升高，EMC处理难度加大。3.2Buck变换器3.3Boost变换器与Buck变换器从高压输入得到低压输出不同，图3-6所示为从低压输入得到高压输出的开关变换器。该电路称为“Boost变换器”或“升压电感变换器”。其工作电路为，在dcV和开关管VT之间串接电感1L，电感的下端通过整流二极管1D给输出电容oC及负载供电。3.3.1电路结构及工作原理L1vdcVTD1CoR0R1R2VwmVeaVrefV+PWMEA+3.3Boost变换器下面定量分析其输出电压oV比直流输入电压deV高的原因。当VT在onT时段导通时，1D反偏，1L的电流线性上升直到1/pdcdcIVtL，这表示存储了能量212110.52()ppELILI(3-24)式中，E的单位为焦耳，1L的单位为亨，p