（电力电子与电力传动专业论文）单电感多输出开关变换器研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fp o r t a b l e e l e c t r o n i ce q u i p m e n s ，m u l t i p l e o u t p u tv o l t a g e sa r er e q u i r e dm o r ea n dm o r ef o rd i f f e r e n tf u n c t i o nm o d u l e s ， w h i c hh a v ea t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o n t h ec o n v e n t i o n a l i m p l e m e n t a t i o n o f m u l t i p l e o u t p u th a sc o m p l i c a t e dc i r c l e ，e x c e s s i v ec o m p o n e n t sa n db i gv o l u m e a n di m p o r t a n t l y , t h e r ei ss e r i o u sc r o s s - r e g u l a t i o na m o n gt h eo u t p u tv o l t a g e s c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a la p p r o a c h e s ，t h es i n g l e i n d u c t o rm u l t i p l e o u t p u t ( s l m o ) c o n v e r t e r s ，w h i c hu s ean o v e lt i m e - m u l t i p l e x i n g ( t m ) c o n t r o ls c h e m e ， r e q u i r eo n l yas i n g l ei n d u c t o rt or e a l i z ei n d e p e n d e n tc o n t r o lo fe a c ho u t p u t t h e f a m i l y o f s i n g l e - i n d u c t o rm u l t i p l e - - o u t p u t c o n v e r t e r ss a v e st h e m a g n e t i c a l c o m p o n e n t s ，w e i g h t ，s i z ea n dc o s tb yu s i n go n l yo n ei n d u c t o r b a s e do nt h ea n a l y s i so fs e v e r a lc o n v e n t i o n a lt e c h n i q u e so fm u l t i p l e - o u t p u t ， t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fs i m oc o n v e r t e r si ss t u d i e do nt h es i n g l e i n d u c t o r d u a l - o u t p u t ( s i d o ) b o o s tc o n v e r t e r si nt h i st h e s i s t h es i m o c o n v e r t e r sc a nb e c l a s s i f i e di n t os a m e t y p ea n dm i x e d - t y p ec o n v e r t e r s t h e nt h ew o r kc o n d i t i o n s a r es t u d i e da n ds i m u l a t e do nas i d ob u c kc o n v e r t e rw h i c ho p e r a t e si nc r i t i c a l c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ( c c c m ) ，c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ( c c m ) ， d i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ( d c m ) a n dp s e u d oc o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ( p c c m ) r e s p e c t i v e l y b a s e do nt h ea n a l y s i so fs i m oc o n v e r t e r s ，an o v e lc o n t r o lm e t h o dp e a k i n d u c t o rc u r r e n t - d i f f e r e n t i a l m o d ev o l t a g ei sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s ，w h i c h a v o i d st h ec r o s s - r e g u l a t i o na m o n gt h eo u t p u tv o l t a g e so ft h es i m oc o n v e r t e r s t h es u b h a r m o n i co s c i l l a t i o n ，w h i c hm a y b ec a u s e db yt h ep e a ki n d u c t o r c u r r e n t d i f f e r e n t i a l - m o d ev o l t a g ec o n t r o lt e c h n i q u e ，i ss t u d i e di nt h i st h e s i s s l o p ec o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e i s p r o p o s e dt o e l i m i n a t et h es u b h a r m o n i c o s c i l l a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ep e r f o r m e dt ov e r i f yt h ep r o p o s e dc o n t r o l m e t h o d k e y w o r d s ：s i n g l e i n d u c t o rm u l t i p l e o u t p u t ；s i n g l e - i n d u c t o rd u a l o u t p u t ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 t i m e m u l t i p l e x i n g ；c r o s s r e g u l a t i o n ；p e a ki n d u c t o rc u r r e n t ；d i f f e r e n t i a l - m o d e v o l t a g e s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学 位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密母使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位敝储虢欺 醐：1 t 岁眵 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下： 一、详细分析了基于分时复用原理构成单电感双输出b u c k 开关变换 器的工作原理。在临界连续导电模式、连续导电模式、不连续导电模式和伪 连续导电模式下对单电感双输出b u c k 开关变换器的工作原理进行了详细的 研究分析，并通过仿真和实验验证了单电感双输出b u c k 开关变换器能否在 这四种导电模式下实现无交叉影响的多路输出。这是本文的一个显著的创新 点。 二、在已有研究成果的基础上，提出了峰值电流一差模电压控制方法。 通过仿真数据验证了该控制方法不仅能够消除单电感双输出开关变换器在 连续导电模式共享充电开关时序下两条输出支路之间的交叉影响，同样也适 用于单电感多输出开关变换器。这是本文的另一个创新点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 引言 随着电子产品的推陈出新，便携式电子设备，如笔记本电脑、便携测试 仪器、m p 3 播放器、数码相机等，与人们工作、生活的关系日益密切。便 携式电子设备一般采用电池供电，为了延长设备的工作时间，可从几个不同 的方面进行研究【l 】：首先是大幅度提高电池的容量密度；其次是尽可能的降 低电路的功耗；最后是尽量提高电池的利用率，提高能量转换效率。由于电 池放电曲线不平坦，随着放电的进行，电池输出电压降低、内阻增大，内部 损耗也逐渐增大，造成电池的利用率的大大降低【2 】。因此，为了延长电池的 使用寿命以及得到稳定的直流输出电压，专门针对面向便携式应用的电源供 应器与电源管理器件应运而生，具有非常广阔的市场前景【3 】。面向便携式应 用的电源器件市场在2 0 0 4 年达到了4 3 亿美元，并在2 0 0 8 年攀升至7 2 亿 美元吧目前，便携式设备的电源管理呈现出下面几个特征【3 5 】： ( 1 ) 高效率：这是便携式设备中最重要的环节。提高便携式设备电源的 效率，可以在同样电池容量的前提下提高更长的工作时间，从而提高产品的 竞争力。 ( 2 ) 多电压输出：在便携式设备中需要的电压级别越来越多。便携式设 备中的液晶显示通常需要3 个或者更多的供电电压，在手机中各种器件与功 能所需要的特殊电压级别已超过2 0 个 3 1 ，因此要求对便携式设备提供具有 多路输出的电源。 ( 3 ) 体积小：在便携式设备的应用中，板级空间十分有限，这就迫使电 源i c 厂商把更多功能集成到更小的封装内，把多路电压转换集成到单芯片 封装内。 总之，高效率、小尺寸、低成本是便携式设备电源发展的趋势。 1 2 开关变换器概述 开关变换器的主要特点是功率开关管工作在开关状态下。开关变换器利 用电感元件和电容元件的储能特性，随着功率开关管不停地导通与关断，使 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 具有较大电压波动的直流电源能量断续地经过开关管，以磁场能的形式存储 在电感器中，经电容滤波后得到连续的能量并传送到负载，得到电压波动较 小的直流电源，实现d c d c 变换。 开关变换器由功率级电路和控制电路组成【6 】。构成功率级的元件，包括 输入电源、功率开关管以及储能电感、滤波电容和负载，它们共同完成电能 的传递和转换；控制电路则通过控制功率开关管的通断调节输出电压，控制 功率级电路的工作状态，使从输入电源处获得的能量和传递到负载的能量维 持平衡 5 】。通常，当电源输入电压或负载在一定范围内变化时，通过控制电 路动态调节可以维持负载电压恒定。 功率开关管和储能元件采用不同的配置或不同的连接方式，可以得到不 同的输入输出电压关系。b u c k 一降压型、b o o s t 升压型、b u c k b o o s t ( i n v e r t ) 一 升降压型( 反转型) 和c 7 u k 电路是四种基本的d c d c 拓扑结构【7 8 】，如图1 1 所示。 + 圪 - + 圪 - 。 a ) b u c k 一圪埘 b ) b o o s t c ) b u c k b o o s td ) c u k 图1 1 开关变换器基本的拓扑结构 上ii 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 按照电感中电流的工作情况，任何一个开关变换器拓扑结构均可以工作 在四种模式下，分别是不连续导电模式( d i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ， d c m ) ，连续导电模式( c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ，c c m ) ，临界连续导电 模式( c r i t i c a lc o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ，c c c m ) 和伪连续导电模式 ( p s e u d oc o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ，p c c 。这四种工作模式时的电感电 流状态如图1 2 所示。这四种工作模式的主要区别是：d c m 工作模式时， 电感电流在一个开关周期结束前降为零，并保持到下个周期开始时刻；而 c c m 则在一个开关周期内的任何时刻电感中始终存在电流，且电感充放电 过程连续交替地进行；c c m 与d c m 的临界状态即为c c c m ；p c c m 之所 以不能算真正的c c m ，是因为电感的充放电并不连续，在一个开关周期结 束前存在一段电感电流续流保持时间，此时电感电流保持不变直到下个周期 开始。 a ) 不连续导电模式b ) 连续导电模式 c ) 临界连续导电模式d ) 伪连续导电模式 图l 一2 开关变换器四种电感电流模式 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 多输出开关变换器概述 2 0 世纪7 0 年代以来，多输出开关变换器被广泛应用于工业、商业及 军事设备的电子系统中。而今，随着个人数字助理( p d a ) 、移动电话等便携 式设备应用的迅速增长，开关变换器的多路输出技术再次赢得广泛关注。研 究结果表明，在需要电池供电的便携式设备中，采用多路电源供电可进一步 降低设备的能耗 9 1 。由此可见，对开关变换器的多路输出技术进行研究具有 重要意义。最初，人们把几个独立的开关变换器组装在一起以获得多路输出 电源，但这种方式造成了电源成本和体积的增加，而且还会带来拍频干扰【1 o 】。 为此人们对多输出开关变换器技术进行了进一步研究，出现了多种结构的多 输出开关变换器。下面以多输出开关变换器的拓扑结构为基点，结合调节方 式，介绍了多绕组实现多路输出技术、脉冲宽度调制一脉冲延迟( p w m p d ) 实现多路输出技术以及单电感实现多路输出技术。 1 - 3 1 多绕组实现多路输出技术 对于使用单个变压器实现多路输出的技术，常用的方法是增加变压器的 次级绕组。本文以两路输出正激变换器为例，从调节方式的角度，介绍了几 种典型的利用多绕组实现多路输出的技术。 图1 3 变压器交叉调节正激变换器 变压器交叉调节是出现最早的利用多绕组实现多路输出的技术，这种开 关变换器的拓扑如图1 - 3 所示。其中主输出电压圪l 通过采样反馈形成闭环 调节，而辅助输出电压不进行采样反馈，仅通过变压器的磁耦合进行交 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 叉调节。这种多路输出方式由于存在变压器漏感和绕组电阻，使圪2 上出现 交叉调节误差，电压调节精度低于主输出圪l 。但由于这种电路模式设计简 单，可在对主路要求精确稳压、对辅路电源要求不高的场合下应用。 经过不断的改进，出现了耦合电感调节式正激变换器，其拓扑如图1 - 4 所示。滤波电感厶、三2 绕在同一磁芯上，主输出通过脉宽调制获得稳定的 输出电压，辅助输出电压的调节由变压器和耦合电感共同完成。与变压器交 叉调节相比，这种开关变换器工作稳定，动态调节性能得到提高【1 0 】。不足之 处仍然是由于变压器及耦合电感的漏感和绕组电阻的存在，圪2 存在着交叉 调节误差。 图1 4 耦合电感调节式正激变换器 前面两种调节方式均只检测一路反馈输出电压，为了使开关变换器的各 路输出都得到一定程度的调节，可以对图1 3 所示开关变换器的各路输出进 行加权反馈控制【1 1 1 ，如图1 5 所示。采用加权电压反馈调节，同时检测各路 输出电压并反馈各路输出电压的加权和到控制电路中，通过设计各路输出电 压的反馈加权因子，可以调整各路输出电压的误差大小，使得各路输出电压 均满足调节要求。这种调节方式的优点是开关变换器整体的稳压精度有所提 高，是一种比较简单、经济的多路输出电压调节控制方法。但它的反馈信号 是相对独立的各支路电压的加权和，其实质是通过改变加权因子将误差在各 支路上重新分配，没有从根本上消除误差。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图1 5 加权电压控制的两路输出正激变换器 不论是交叉调节式、耦合电感调节式，还是加权的控制方法，多绕组实 现多路输出技术均不能实现多输出支路的单独精确控制，这是由该控制技术 的固有特性造成的。 1 3 2p w m p d 实现多路输出技术 图1 - 6 是一种利用脉冲宽度调制脉冲延迟【1 2 - t 6 技术( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n p u l s ed e l a y ，p w m p d ) 控制实现多路输出的拓扑结构，通过控 制两个开关m a 、m b 实现3 路输出电压，其开关管控制信号时序如图1 7 所示。 由图1 6 可以看出，当只有尥导通时，能量通过d 1 2 传递到支路l 、支 路2 ；只有m b 导通时，能量通过d 3 2 传递到支路2 、支路3 3 ；若m a 、m b 都导通，能量通过d 1 2 、d 3 2 传递到3 个输出端。这里假设开关变换器工作 周期为l 开关m a 、m b 的控制信号分别为占空比办、如，函与而之间的 延时为幽，于是得到3 个不同的控制信号函、如、幽+ 如，可以实现3 路输 出电压的精确调节。函、幽、幽需满足下列条件： 以以(1-2) 以 0( 1 - 3 ) 这种非隔离型多路输出开关变换器只是p w m p d 型开关变换器族中 的一种，其特点是允许受控开关的数目小于输出电压支路数，电路工作在固 定的开关频率，易获得3 路或更多路的输出电压。各路电压均可得到精确调 节，除第一路输出电压的稳压精度稍差外，另两路输出电压的稳压精度都较 高【1 2 】，适用于小体积、低成本、输入输出无需隔离的场合。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 3 3 单电感实现多路输出技术 单电感多输出( s i n g l e i n d u c t o rm u l t i p l e o u t p u t ，s i m o ) 是最近出现的 种新型多输出开关变换器结构，利用各输出支路分时工作的原理，仅使用 单个电感即可实现多路输出电压，非常适应于多值电压系统的电源。输出支 路的分时工作使得各输出支路共享一个电感，极大地减少了所需电感的数 量，因此也大幅减小了多输出开关变换器系统的体积和重量；也可以实现对 各个输出支路的独立精确控制。但输出支路的分时工作也存在负面影响，各 支路之间存在严重的交叉影响：某个输出支路的输出电流变化通常会引起其 它输出支路输出电流的变化。输出支路间的交叉影响增加了各输出支路输出 电压的纹波系数，严重时会破坏整个系统的稳定性，使开关变换器无法正常 工作，因此，为了避免交叉影响，单电感多输出的开关变换器一般均工作在 d c m 或p c c m 模式 1 7 1 。但d c m 的负载能力较小，同时电感上电流波动大， 导致输出电压纹波较大，而p c c m 虽然电感中平均电流较大，负载能力较 强，但p c c m 是通过限制工作模式来抑制输出支路间的交叉影响，一旦工 作模式无法保证，输出支路间还是会存在相互影响【l j 。 1 4 论文的主要工作 传统实现开关变换器多路输出的方法通常电路复杂、体积大，限制了其 应用。本文所研究的单电感多输出开关变换器，只需要一个电感就可以实现 正、负多电压输出，极大地减少了功率器件并减小了开关变换器体积，特别 适用于低电压、小功率的便携式设备的电源变换器。本文以两路正输出电压 为例介绍了单电感多输出电路的工作原理，并将其扩展到其他拓扑结构。以 b u c k 结构的单电感双输出开关变换器为例，对其在临界连续导电模式、连 续导电模式、不连续导电模式和伪连续导电模式下的工作情况进行了分析， 并进行了仿真验证。在分析了传统s i m o 开关变换器的优势和不足的基础 上，提出了可以消除工作在连续导电模式下的单电感多输出开关变换器各输 出支路间交叉影响的控制方式。 本论文的主要工作如下： 1 在深入了解传统多输出开关变换器的基础上，以b o o s t 开关变换器 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 为例，介绍了s i m o 开关变换器，并详细论述了单电感多输出开 关变换器在其他电路拓扑中的应用。 2 以单电感双输出( s i n g l e i n d u c t o rd u a l o u t p u t ，s i d o ) b u c k 开关 变换器为例，分别对临界连续导电模式、连续导电模式、不连续导 电模式和伪连续导电工作模式进行了详细分析研究，在理论上分析 了开关变换器在四种工作模式下能否实现没有交叉影响的双路输 出，并通过仿真和实验进行了验证。 3 在分析已有s i m o 开关变换器控制方案的基础上，提出了峰值电流 一差模电压控制方法。根据此方法设计了基于b u c k 拓扑的s i d o 开 关变换器的控制环路，并在m a t l a b s i m u l i n k 下对该控制环路进行 了仿真分析，验证了该控制方法的可行性。在此基础上对该控制方 法在s i m o 开关变换器中的应用进行了分析，并通过三路输出开关 变换器对其进行了仿真研究，验证了该控制方法可以消除s i m o 开 关变换器各输出支路间的交叉影响。最后，针对该方法可能引起次 谐波震荡的问题提出了改进控制方案，并进行了仿真验证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章单电感多输出开关变换器 2 1 引言 t l i 于2 0 0 0 年在一项专利【1 8 】( s i n g l ei n d u c t o rm u l t i p l eo u t p u tb o o s t r e g u l a t o r ) 中首次提出了采用分时复用( t i m em u l t i p l e x i n g ，t m ) 技术【1 9 】 将两个工作在d c m 模式的b o o s t 开关变换器合并成只需要一个电感的s i d o ( s i n g l ei n d u c t o rd u a lo u t p u t ) 开关变换器。通过对开关管的分时控制，使 该开关变换器的两个输出支路交替工作，得到两路独立的输出电压。香港科 技大学的d o n g s h e n gm a 将s i d o 由b o o s t 变换器扩展到其它拓扑结构的开 关变换器 2 0 , 2 1 ，并对工作于d c m 模式【2 2 】和p c c m 模式【2 3 】的s i m o 开关变 换器的控制方法进行了研究，实现了没有交叉影响的s i m o 开关变换器控 制。 本章以s i m ob o o s t 开关变换器为例，详细分析了s i m o 开关变换器 控制技术，并对几种基本的s i m o 开关变换器进行了分类研究。 2 2s i d o s i m ob o o s t 开关变换器 爪 r l i a ：一2 a ：、 “3 口 r i i 只a 7 - 3 一 j 、d 、j 1 ，一 a ) b o o s t 开关变换器b ) b o o s t 开关变换器电感电流波形 图2 1d c mb o o s t 开关变换器及其电感电流波形 假设b o o s t 开关变换器a 和b 均工作在d c m 模式，开关频率均为石 觚= 1 l 丁为开关周期) ，开关管s l 、& 的占空比分别为d l 口、d 1 b 。b o o s t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 图2 2s i d ob o o s t 开关变换器 开关变换器a 和b 的电路及其电感电流波形分别如图2 1a ) 、图2 1b ) 所 示。 对于开关变换器a ( b ) ，电感电流在d l 口t ( d 1 6 r ) 时间段上升，d 2 a t ( d 2 b t ) 时间段下降，d 3 口丁( d 3 b t ) 时间段保持为零，其中d 3 口r = 1 d k 加勉f ( d 3 6 r = 1 d 1 6 7 l d 2 6 丁) 。当d l 口n _ d 2 口t 0 5 且d l b t + d 2 b t o 5 时，两个开关变 换器可以分别工作在两个互补的相位，从而并联组成一个s i d o 开关变换器。 如图2 2 所示为s i d ob o o s t 开关变换器电路，其工作过程如下：在每个开 关周期开始时，开关s 导通，输入电压、电感三与开关& 形成通路，名 对三进行充电，电感电流五线性上升，直到d i 口丁时间结束，开关蜀关断， 开关导通，输入电压珞、电感三与支路a 形成放电通路，电源和电感l 的储能输送给支路a ，电感电流无线性下降，经d 2 a 丁时间后下降到零，之 a 工作；b 工作ja 工作ib 工作! & 冈冈厂 厂 厂 i 伤占i 图2 3s i d ob o o s t 开关变换器控制信号及电感电流波形 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 后龙保持为零至t 2 时刻开关s l 重新闭合，电感再进行储能，支路b 开始 工作，其工作原理与支路a 相同，此处不再赘述。输出支路a 、b 交替分 时工作，其输出电压由各自的导通占空比确定，每个开关的控制脉冲以及电 感电流的波形如图2 3 所示。 l s 。 图2 - 4n 路输出s i m ob o o s t 开关变换器 ，2 。f 。 l if 。1 1 。 l 一j 厂 九n i门上 氐 | i 门l n _ 墨丘葛阿一弭一旷疋二铮荨一嘻善 & 封兰坠型i 上 品 l 臣二= 塾三二二二ll 上 函匝一封釜坚崮i 图2 5n 路输出s i m ob o o s t 开关变换器控制信号和电感电流波形 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 3s i d o s i m 0 开关变换器的分类 基本的开关变换器可以分为b u c k ，b o o s t 和b u c k b o o s t 开关变换器， 很多学者将带有隔离变压器的b u c k b o o s t 开关变换器称为f l y b a c k 开关变换 器【2 0 1 ，为保持一致，本文将非隔离b u c k b o o s t 开关变换器也称为f l y b a c k 开关变换器。f 1 y b a c k 开关变换器有两种电路形式f 1 v b a c k - 和f l y b a c k + 2 0 1 ， 其输出电压的极性分别与输入电压相反和相同。四种基本开关变换器如图 2 6 所示。 a ) b u c k 开关变换器b ) b o o s t 开关变换器 c ) f l y b a c k 一开关变换器d ) f l y b a c k + 开关变换器 图2 6 四种基本开关变换器 在基本开关变换器的基础上，运用t m 技术可以得到两大类不同的 s i m o 开关变换器：由相同开关变换器拓扑构成的同类型s i m o 开关变换器 和由不同开关变换器拓扑构成的混合型s i m o 开关变换器，其中后者又可以 根据输入、输出电压的极性不同而分为双极性混合型s i m o 开关变换器和同 极性混合型s i m o 开关变换器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 2 3 1 同类型s i m o 开关变换器 同类型s i d o 开关变换器如图2 7 所示。由于b o o s t 和f l y b a c k 开关变 换器电路中电感完全依靠输入电源进行充电，即开关s l 用于电感充电，而 为了控制转移到每路负载的能量，每条输出支路需要增加一个开关。因此， 对于由b o o s t 开关变换器或f l y b a c k 开关变换器构成的同类型路输出开关 变换器，需要n + 1 个开关。而对于b u c k 开关变换器，两个开关s 和& 位 于输入端，要构成一个路输出s i m ob u c k 开关变换器，在保留输入端两 个开关的同时，每一个输出支路都需要一个独立的开关。因此，对于一个 路输出的s i m ob u c k 开关变换器，需要+ 2 个开关。同样，对于一个路 输出的s i m of l y b a c k + 开关变换器，需要+ 3 个开关。 a ) s i d ob o o s t 开关变换器b ) s i d of l y b a c k 一开关变换器 c ) s i d ob u c k 开关变换器d ) s i d of 1 y b a c k + 开关变换器 图2 7 同类型s i d o 开关变换器 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 2 3 2 混合型s i m o 开关变换器 2 3 2 1 双极性混合型s i m o 开关变换器 在多输出开关变换器的很多应用( 如l c d 和c c d ) 中，需要同时提供 正、负供电电源 2 0 , 2 1 。为了获得具有正、负电压输出的s i m o 开关变换器， 可以采用f l y b a c k 开关变换器与其他三种基本开关变换器构成双极性s i m o 开关变换器：s i m ob u c k f l y b a c k - 开关变换器、s i m ob o o s t f l y b a c k - 开关变 换器和s i m of l y b a c k + f l y b a c k 开关变换器。图2 8 和图2 - 9 分别为s i d o 图2 - 8s i d ob o o s t f l y b a c k 一开关变换器 吮厂丁1l 厂厂 九ii _n 要事爵荨o s 。ij 隹垒盘当r l 品ij 飞兰璺。当r ，! 烈弧、li 入、 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 b o o s t f l y b a c k 开关变换器及其控制时序、电感电流波形图。 当或= 1 时，b o o s t 支路工作；当c b = l 时，f l y b a c k 支路工作。t m 技 术将电感电流按照互补的相位关系输出到支路a 和b ，该s i d o 开关变换器 只需要一个电感和四个开关。 b o o s t 开关变换器的输出电压始终高于输入电压，当需要输出电压低于 输入电压时，可以将b o o s t f l y b a c k s i d o 开关变换器中的b o o s t 开关变换器 6 图2 ，1 0s i d ob u c k f l y b a c k ( f l y b a c k + f l y b a c k - ) 开关变换器 丸m ；i几厂 九i _门 s厂 北厂 厂厂 是 ；北垒盘厂 i 品 l ! _ 厂一 & _ t 耳簪，o 昆 ll 罐业兰r ，l ，n 渊l 入 图2 11s i d ob u c k f l v b a c k 开关变换器控制时序及电感电流 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 丸厂t 习ii 厂厂 九1ii _n 菱主耀签一 岛1 i _ r 一 ；j 量路甚当二 咒l 0 剥 二；垒也二纠l 一 ，i a 冬， i 入、 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 2 3 2 2 同极性混合型s i m o 开关变换器 将极性相同但类型不同的开关变换器组合构成同极性混合型s i m o 开 关变换器。该类型开关变换器有以下三种：s i m ob u c k b o o s t 开关变换器， s i m ob u c k f l y b a c k + 开关变换器和s i m ob o o s t f l y b a c k + 开关变换器，如图 2 1 3 所示。对于一个路输出的s i m o 开关变换器，为了在正输出支路和 负输出支路工作期间分别给电感充电，以上三种开关变换器在输入端均需要 3 个开关，因此一个路输出的同极性混合型s i m o 开关变换器均需要+ 3 个开关。 a ) s i d ob u c k b o o s t 开关变换器 b ) s i d ob u c k f l y b a c k + 开关变换器 c ) s i d ob o o s t f l y b a c k + 开关变换器 图2 1 3 混合型s i d o 开关变换器 + ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 表2 1 给出了由b u c k 、b o o s t 、f l y b a c k + 以及f l y b a c k 一四种开关变换器 的两种相互组合而得到的十种+ m 路输出s i m o 开关变换器的拓扑特点。 与传统多路输出方案相比，基于t m 技术的斛膨路输出s i m o 开关变换器 只需要一个磁性元件，同时也减少了开关管的数量。 表2 1 + m 路输出的s i m o 开关变换器 电感数 类型开关变换器名称输出类型 且开关数量 里 b u c k ( n ) b u c k ( m )正 1n + m + 2 b o o s t ( n ) b o o s t ( m ) 正 l+ a 升1 同类型 f l y b a c k 一( n ) f l y b a c k 一( m )负 1+ a 升1 f l y b a c k + ( n ) f l y b a c k + ( m ) 正 1+ a 升3 双极性混 b u c k ( n ) f l y b a c k 一( m )双极性 1+ m - + 3 b o o s t ( n ) f l y b a c k 一( m )双极性 l _ + 朋_ + 2 口刍已 双极性 1+ a 件3 f l y b a c k + ( n ) f l y b a c k ( m ) 同极性混 b u c k ( n ) b o o s t ( m )正 1+ a 升3 b u c k ( n ) f l y b a c k + ( m ) 正 1+ a 升3 合口j 三 b o o s t ( n ) f l y b a c k + ( m ) 正1+ 升3 传统应用正或和负n j r m2 + 2 们+ 表2 1 只列出了由两种基本开关变换器拓扑结构组合成的s i m o 开关变 换器。基于分时复用的基本原理，s i m o 开关变换器同样也可以由三种甚至 四种基本开关变换器拓扑结构组合而成。图2 1 4 即为一个由b u c k 、b o o s t 和f l y b a c k 组合而成的s i m o 开关变换器，图2 - 1 5 为其控制时序和电感电流 波形。 一1 是 毫。 j _士 5 气工蠢 萼 审守0 0 。飞丰幸如 一 专专 图2 1 4s i m ob u c m b o o s t f l y b a c k 开关变换器 乎 尽丫占 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 九厂厂 d r： 允门 l ，：_ 一l 图2 15s i m ob u c k b o o s t f l y b a c k 开关变换器控制时序及电感电流 2 4 小结 本章以s i m ob o o s t 开关变换器为例，详细介绍了s i m o 开关变换器的 基本工作原理，并将单电感多输出技术扩展到其他拓扑结构，构建了十种最 基本的s i m o 开关变换器。通过将s i m o 开关变换器与传统多路输出开关变 换器的比较分析可知，基于t m 技术的s i m o 开关变换器不仅将电感数量减 少到一个，同时也减少了功率开关管的数量，而且随着输出支路的增多，开 关管数量减少的更加明显。 墨 是是 & 爵 足 t 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 1 页 第3 章s i d ob u c k 开关变换器分析 3 1 引言 由1 2 节可知，按照开关变换器中电感电流的情况，任一开关变换器拓 扑结构均可工作在四种模式下：连续导电模式( c c m ) 、不连续导电模式 ( d c m ) 、临界连续导电模式( c c c m ) 和伪连续导电模式( p c c m ) 。在这 四种工作模式下，开关变换器的开关时序、控制方法和对电路参数的要求等 不尽相同，各自有各自的特点。 同样，s i d o 开关变换器按照电感电流的情况也可以工作在以上四种模 式下。本章以s i d ob u c k 开关变换器为例，将分别研究s i d o 开关变换器工 作在临界连续导电模式、连续导电模式、不连续导电模式和伪连续导电模式 下的工作原理以及开关变换器输出支路间的交叉影响。 3 2s i d ob u c k 开关变换器工作原理 s i d ob u c k 开关变换器的构造原理与s i d ob o o s t 开关变换器类似【2 3 】。 假设两个b u c k 开关变换器a 和b 均工作在不连续导电模式( d c m ) 下， 开关频率均为石饥= 1 lr 为开关周期) ，占空比分别为d l 口、d l t , ，开关变 换器电路a 和b 及其电感电流波形分别如图3 1a ) 、图3 1b ) 所示。 “ o 么 0 a ) b u c k 开关变换器b ) b u c k 开关变换器电感电流波形 图3 1 两个b u c k 开关变换器及其d c m 下的电感电流波形 r q r 逊 厂占厂0占 咯 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 对于开关变换器a ( b ) ，电感电流在d l 口r ( d 1 6 丁) 时间段上升，d 2 口r ( d 2 6 丁) 时间段下降，d 3 口丁( j d 3 6 丁) 时间段保持为零，其中d 3 口t = i d t 口m 2 丁 ( d 3 6 t = i d 1 6 t - d 2 6 r ) 。当d l 口t + d 2 口t 0 5 且d l b t + d 2 b t o 5 时，两个开关变 换器可以分别工作在两个互补的相位，从而并联组成一个s i d ob u c k 开关 变换器，其电路结构和电感电流波形如图3 2 所示。 o入八入。 a ) s i d ob u c k 开关变换器 b ) 电感电流 图3 - 2s i d ob u c k 开关变换器及其电感电流 图3 3 同步整流后的s i d ob u c k 开关变换器 在低电压输出应用中，为了减小开关变换器整流二极管的损耗，通常采 用m o s f e t 开关管s 2 来代替将图3 2a ) 所示s i d ob u c k 开关变换器中的二 极管d ，如图3 3 所示。图3 3 所示的s i d ob u c k 开关变换器的工作过程如 下：在每个开关周期开始时，开关s l 与& 同时导通，输入电压、电感三 与支路a 形成通路，圪对三进行充电，电感电流龙线性上升，直到d l 口丁时 刻时，开关关断、开关s 2 导通，上的储能继续输送给支路a ，经d 2 口r 时 间后五线性下降到零，之后尼保持为零不变至耽。当开关蜀与开关& 闭 合时，支路b 开始工作，工作原理与支路a 相同，此处不再赘述。输出支 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 路a 、b 交替分时工作，其输出电压由各自的导通占空比确定，每个开关的 控制脉冲以及电感电流的波形如图3 4 所示。 图3 4d c m 模式s i d o 控制信号波形及电感电流波形 根据电感电流的变化范围，s i d o 开关变换器可以分为四种模式：连续 导电模式( c c m ) 、不连续导电模式( d c m ) 、临界连续导电模式( c c c m ) 和伪连续导电模式( p c c m ) 。下面逐一分析工作于这四种模式的s i d ob u c k 开关变换器。 3 3 临界连续导电工作模式s i d ob u c k 开关变换器 由第二章可知，s i m o 的思想最初来源于美国的一项专n t l 8 】，该专利采 用两种开关时序来控制电路中开关的导通和关断，使s i d o 开关变换器在两 种开关时序下均工作于临界连续导电模式。第一种开关时序下的控制信号以 及电感电流如图3 5a ) 所示，每个周期被分成三个阶段：第一阶段为电感 充电阶段，电感电流从零线性上升到厶l ；第二阶段电感对第一支路放电， 直到电感电流下降到厶2 ；第三阶段电感对第二支路放电直到电感电流下降 至零。这三个阶段相互关联，任何一个阶段发生变化都势必影响到其他两个 阶段，产生了两路输出间的交叉影响。对第二种开关时序( 其控制信号以及 电感电流如图