直流開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
直流開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
開(kāi)關(guān)電源可分為直流開(kāi)關(guān)電源和交流開(kāi)關(guān)電源，是按輸出來(lái)區(qū)分的，交流開(kāi)關(guān)電源輸出的是交流電，而直流開(kāi)關(guān)電源輸出的是直流電，這里介紹的是直流開(kāi)關(guān)電源。隨著相關(guān)元器件的發(fā)展，直流開(kāi)關(guān)電源以其高效率在很多場(chǎng)合代替線性電源而獲得廣泛應(yīng)用。
直流開(kāi)關(guān)電源與線性電源相比一般成本較高，但在有些特別場(chǎng)合卻更簡(jiǎn)單和便宜，甚至幾乎只能用開(kāi)關(guān)電源，如升壓和極性反轉(zhuǎn)等。直流開(kāi)關(guān)電源還可分為隔離的和不隔離的兩種，隔離的是采用變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入與輸出間的電氣隔離，變壓器還便于實(shí)現(xiàn)多路不同電壓或多路相同電壓的輸出。
直流開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)和分析都有較特別的一套理論和方法，這里主要介紹6種基本的不隔離的直流開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)形式和其特點(diǎn)，便于依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)選擇使用。
理想假定：為便于分析，常假定存在如下理想狀態(tài)
1. 電子器件理想：電子開(kāi)關(guān)管Q和D的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間為零，通態(tài)電壓為零，斷態(tài)漏電流為零
2. 電感和電容均為無(wú)損耗的理想儲(chǔ)能元件，且開(kāi)關(guān)頻率高于LC的諧振頻率
3. 在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，輸入電壓Vin保持不變
4. 在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，輸出電壓有很小的紋波，但可認(rèn)為基本保持不變，其值為Vo
5. 不計(jì)線路阻抗
6. 變換器效率為100%
一、Buck變換器：也稱降壓式變換器，是一種輸出電壓小于輸入電壓的單管不隔離直流變換器。
圖中，Q為開(kāi)關(guān)管，其驅(qū)動(dòng)電壓一般為PWM(Pulse width modulation脈寬調(diào)制)信號(hào)，信號(hào)周期為Ts，則信號(hào)頻率為f=1/Ts，導(dǎo)通時(shí)間為Ton，關(guān)斷時(shí)間為Toff，則周期Ts=Ton+Toff，占空比Dy= Ton/Ts。
Buck變換器有兩種基本工作方式：
CCM(Continuous current mode)：電感電流連續(xù)模式，輸出濾波電感Lf的電流總是大于零
DCM(Discontinuous current mode)：電感電流斷續(xù)模式，在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間有一段時(shí)間Lf的電流為零
1.1 CCM時(shí)的基本關(guān)系：
1.2 DCM時(shí)的基本關(guān)系：
DCM可分為兩種典型情況：
輸入電壓Vin不變，輸出電壓Vo變化，常用作電動(dòng)機(jī)速度控制或充電器對(duì)蓄電池的恒流充電
輸入電壓Vin變化，輸出電壓Vo恒定，即普通開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源
1.3 電感電流臨界連續(xù)的邊界：
1.3.1 輸入電壓恒定不變時(shí)：Vin=const
可畫出Buck變換器在Vin=const時(shí)的外特性曲線：
圖中虛線為電感電流臨界連續(xù)的邊界，內(nèi)部為電流斷續(xù)區(qū)，外面為電流連續(xù)區(qū)。
理想情況下，在電流斷續(xù)區(qū)輸出電壓僅由占空比Dy確定。實(shí)際電路中，因元器件的非理想化，在電感電流的連續(xù)區(qū)，Buck變換器的外特性也是下降的，即Io加大，Vo降低。為保持Vo不變，在Io增加時(shí)，要適當(dāng)加大占空比Dy。
1.3.2 輸出電壓恒定不變時(shí)：Vo=const
可畫出Buck變換器在Vo=const時(shí)的標(biāo)幺特性曲線：
圖中虛線為電感電流臨界連續(xù)的邊界，右上方為電流連續(xù)區(qū)，左下為電流斷續(xù)區(qū)。
在電感電流臨界連續(xù)時(shí)，若加大負(fù)載，則進(jìn)入電流連續(xù)工作區(qū)；減小負(fù)載，則進(jìn)入電流斷續(xù)區(qū)。
若負(fù)載不變，減小輸入電壓Vin，為使Vo不變，應(yīng)加大Dy，也進(jìn)入電流連續(xù)區(qū)。
二、Boost變換器：也稱升壓式變換器，是一種輸出電壓高于輸入電壓的單管不隔離直流變換器。
開(kāi)關(guān)管Q也為PWM控制方式，但最大占空比Dy必須限制，不允許在Dy=1的狀態(tài)下工作。電感Lf在輸入側(cè)，稱為升壓電感。Boost變換器也有CCM和DCM兩種工作方式。
2.1 CCM時(shí)的基本關(guān)系：
Q導(dǎo)通時(shí)為電感Lf儲(chǔ)能階段，此時(shí)電源不向負(fù)載提供能量，負(fù)載靠?jī)?chǔ)于電容Cf的能量維持工作；Q關(guān)斷時(shí)，電源和電感共同向負(fù)載供電，此時(shí)還給電容Cf充電。變換器必須接負(fù)載，不然會(huì)因能量不斷送到負(fù)載端而使Vo不斷升高而損壞。
2.2 DCM時(shí)的基本關(guān)系：
在電流斷續(xù)時(shí)，即使輸入電壓Vin不變，為了保持輸出電壓Vo恒定，也要隨負(fù)載電流的不同來(lái)調(diào)整占空比Dy。
2.3 電感電流臨界連續(xù)的邊界：
2.3.1 輸入電壓恒定不變時(shí)：Vin=const
2.3.2 輸出電壓恒定不變時(shí)：Vo=const
2.3.3 電感電流臨界連續(xù)的邊界曲線：上方為電感電流連續(xù)區(qū)，下方為斷續(xù)區(qū)
電流斷續(xù)時(shí)，開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通期間存儲(chǔ)在電感Lf中的磁能在Q截至期間全部通過(guò)二極管D轉(zhuǎn)移到輸出端，如果變換器不接負(fù)載電阻，或電阻太大，必使Vo不斷增加，因此沒(méi)有電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)的Boost變換器不能在輸出端開(kāi)路情況下工作。
三、Buck/Boost變換器：也稱升降壓式變換器，是一種輸出電壓既可低于也可高于輸入電壓的單管不隔離直流變換器，但其輸出電壓的極性與輸入電壓相反。Buck/Boost變換器可看做是Buck變換器和Boost變換器串聯(lián)而成，合并了開(kāi)關(guān)管。
Buck/Boost變換器也有CCM和DCM兩種工作方式，開(kāi)關(guān)管Q也為PWM控制方式。
3.1 CCM時(shí)的基本關(guān)系：
電感Lf用于儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)換能量，Q導(dǎo)通時(shí)電感Lf儲(chǔ)能，負(fù)載由電容Cf供電；Q關(guān)斷時(shí)，電感向負(fù)載供電。
3.2 DCM時(shí)的基本關(guān)系：
3.3 電感電流臨界連續(xù)的邊界：
3.3.1 輸入電壓恒定不變時(shí)：Vin=const
3.3.2 輸出電壓恒定不變時(shí)：Vo=const
3.3.3 電感電流臨界連續(xù)的邊界曲線：上方為電感電流連續(xù)區(qū)，下方為斷續(xù)區(qū)
由圖可見(jiàn)，在Vo=const時(shí)，如果Dy<0.5，即Vo<Vin，變換器很容易進(jìn)入電感電流斷續(xù)區(qū)。
由于這種變換器的輸出電流和電感電流不同，故二者的邊界不相同，輸出電流Io的邊界線在電感電流的下方，因?yàn)镮o只是電感電流的一部分。
四、Cuk變換器：美國(guó)加州理工學(xué)院Slobodan Cuk提出的對(duì)Buck/Boost改進(jìn)的單管不隔離直流變換器，在輸入輸出端均有電感，可以顯著減小輸入和輸出電流的脈動(dòng)，同樣是輸出電壓的極性與輸入電壓相反，同樣是輸出電壓既可低于也可高于輸入電壓。Cuk變換器可看做是Boost變換器和Buck變換器串聯(lián)而成，合并了開(kāi)關(guān)管。
開(kāi)關(guān)管Q也為PWM控制方式。Cuk變換器也有CCM和DCM兩種工作方式，但不是指電感電流，而是指流過(guò)二極管的電流連續(xù)或斷續(xù)。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中開(kāi)關(guān)管Q的截止時(shí)間(1-Dy)Ts內(nèi)，若二極管電流總是大于零，則為電流連續(xù)；若二極管電流在一段時(shí)間內(nèi)為零，則為電流斷續(xù)工作；若二極管電流在t=Ts時(shí)剛降為零，則為臨界連續(xù)工作方式。
Cuk變換器中有兩個(gè)電感，這兩個(gè)電感之間可以沒(méi)有耦合，也可以有耦合，耦合電感可進(jìn)一步減小電流脈動(dòng)量。
分析時(shí)增加一個(gè)假設(shè)：耦合電容C1容量很大，變換器在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)C1的電壓基本保持恒定。
4.1 CCM時(shí)的基本關(guān)系：
Cuk變換器中，電源能量經(jīng)過(guò)3次變換才到負(fù)載。第一次是Q導(dǎo)通，電感L1儲(chǔ)能增長(zhǎng)，電能轉(zhuǎn)換為磁儲(chǔ)能；第二次是Q截止，L1的磁能轉(zhuǎn)移為C1的電能存儲(chǔ)著；第三次是Q導(dǎo)通，C1的電能轉(zhuǎn)移到負(fù)載和輸出回路的電感L2和電容Cf。實(shí)際上，第一、三次兩個(gè)轉(zhuǎn)換是同時(shí)進(jìn)行的。
Cuk變換器中兩電感電流增長(zhǎng)率和下降率僅與Vin、Vo和自身電感大小有關(guān)。電感確定后，兩電流增長(zhǎng)率只由Vin大小決定，分別為Vin/L1和Vin/L2；下降率只與Vo有關(guān)，分別為Vo/L1和Vo/L2。
4.2 DCM時(shí)的基本關(guān)系：
4.3 兩電感有耦合的Cuk變換器：
如果兩電感L1和L2繞在同一鐵芯上，
則兩個(gè)電感互相耦合，除自感外還有互感M，通常用耦合系數(shù)k來(lái)表示耦合程度：
耦合電感可以進(jìn)一步減小輸入電流和輸出電感電流的脈動(dòng)。
五、Zeta變換器：有兩個(gè)電感和耦合電容的單管不隔離直流變換器，輸出電壓極性和輸入電壓相同。Zeta變換器可看做是Buck/Boost變換器和Buck變換器串聯(lián)而成，合并了開(kāi)關(guān)管。
Zeta變換器是電感輸出，所以輸出電流脈動(dòng)很小，開(kāi)關(guān)管Q也為PWM控制方式。
分析時(shí)假設(shè)耦合電容C1容量很大，變換器在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)C1的電壓基本保持恒定。
5.1 CCM時(shí)的基本關(guān)系：
5.2 DCM時(shí)的基本關(guān)系：
六、Sepic變換器：有兩個(gè)電感和耦合電容的單管不隔離直流變換器，輸出電壓極性和輸入電壓相同。Sepic變換器可看做是Boost變換器和Buck/Boost變換器串聯(lián)而成，合并了開(kāi)關(guān)管。
Sepic變換器是電感輸入，所以輸入電流脈動(dòng)很小，開(kāi)關(guān)管Q也為PWM控制方式。
分析時(shí)假設(shè)耦合電容C1容量很大，變換器在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)C1的電壓基本保持恒定。
CCM時(shí)的基本關(guān)系：
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