二讲一基本开关型变换器主电路拓扑论述PPT学习教案

1、会计学1二讲一基本开关型变换器主电路拓扑论二讲一基本开关型变换器主电路拓扑论述述整整 流流滤滤 波波开关电源控制器开关电源控制器滤滤 波波整流及整流及滤波滤波AC/DC输入回路输入回路功率开功率开关器件关器件高频高频变压器变压器DC/DC功率变换器功率变换器UoutUinDC/DC变换器变换器第1页/共55页第2页/共55页第3页/共55页第4页/共55页第5页/共55页OOSSIVIV第6页/共55页第7页/共55页SLDSEOiiiV;0第8页/共55页LtUULtUUdittdtididtdiLUUUdtdiLUUUUonOSOSlonlllOSLlLOL/)(/)(;S11111开关管

2、开关管T导通导通第9页/共55页LDEOii 0TDTTTonoff)( 1第10页/共55页offOOOllLlOLtLUtLUdtLUiididtdiLUU2222-21lliionOSoffOtLUUtLU在稳定稳定输出工作期间：开开关关管管T截截止止DMUUUDUtttUSOSSoffononO或第11页/共55页 10nnEOtnaCt)cos()( 221 212120sSSEOoODVDVVtdvCV)(变压比为变压比为M 2/SSSOVDVMVVn次谐波幅值次谐波幅值 222)sin()sin(nDnVnnVaSSn输出电压的直流平均值输出电压的直流平均值 第12页/共55页T

3、TDon/0/SMVVDTTonTDToff)( 1 变压比与电路结构和导通比变压比与电路结构和导通比D都有关系，它们之都有关系，它们之间的关系可用多种方法推导。间的关系可用多种方法推导。导通比（占空比）：导通比（占空比）：变压比变压比 ：第13页/共55页第14页/共55页10nnntnbtnaCtF)sin()cos()(2020002111)()()()()(tdtFtdtFTdttFTCT)()cos()(1)cos()(2200tdtntFdttntFTaTn)()sin()(1)sin()(2200tdtntFdttntFTbTn第15页/共55页10nnntnbtnaCtF)si

4、n()cos()(F(t)也可表达为： 10)cos()(nnntnCCtF2000211)()()(tdtFdttFTCT22nnnbaC第16页/共55页改变开关管改变开关管T的导通时间，即改变导通占空比的导通时间，即改变导通占空比D ，即可改变变压比即可改变变压比M, 调节或控制输出电压调节或控制输出电压VO。(1) 脉冲宽度调制方式脉冲宽度调制方式 PWM (Pulse Width Modulation) 开关频率不变，改变输出脉冲电压的宽度开关频率不变，改变输出脉冲电压的宽度(2) 脉冲频率调制方式脉冲频率调制方式 PFM（Pulse Frequency Modulation） 脉宽

5、脉宽 不变，改变开关频率或周期。不变，改变开关频率或周期。为什么实际应用中广泛为什么实际应用中广泛采用采用PWM方式？方式？问题思考 2SSonSOUUTtDUU第17页/共55页滤波电感的作用：滤波电感的作用：对交流高频电压电流呈高阻抗对交流高频电压电流呈高阻抗，对直流畅通无阻，对直流畅通无阻滤波电容的作用：滤波电容的作用：对直流电流阻抗为无穷大，对对直流电流阻抗为无穷大，对交流电流阻抗很小。交流电流阻抗很小。直流输出电压中含有各次谐波电压，在直流输出电压中含有各次谐波电压，在Buck开关电路的输出开关电路的输出端与负载之间加接一个端与负载之间加接一个LC滤波电路，减少负载上的谐波电压。滤波

6、电路，减少负载上的谐波电压。如何选取如何选取LC？问题思考第18页/共55页滤波器电抗对谐波的阻抗为：滤波器电抗对谐波的阻抗为： L滤波器电容对谐波的阻抗为：滤波器电容对谐波的阻抗为：1/C如果：如果：CL1q各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。q直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。电容电容C在一个开关周期内的充、放电电荷为：在一个开关周期内的充、放电电荷为： fiTiQLsL8222120min0max008)1 (LCfVDCQVVV输出电压中纹波量输出电压中纹波量第19页/共55页BuckBuck变换器有两种可能的运行状

7、况：变换器有两种可能的运行状况：（1 1）电感电流连续模式）电感电流连续模式 CCM(Continuous Current Mode)CCM(Continuous Current Mode)： 指电感电流在整个开关周期中都不为零；指电感电流在整个开关周期中都不为零；（2 2）电感电流断流模式）电感电流断流模式 DCMDCM（Discontinuous Current ModeDiscontinuous Current Mode）：指在开关管指在开关管T T阻断期间内经二极管续流的电感电流已降为零。阻断期间内经二极管续流的电感电流已降为零。二者的临界：二者的临界：称为电感电流临界连续状态：称为电

8、感电流临界连续状态：指开关管阻断期结束时，电感电流刚好降为零。指开关管阻断期结束时，电感电流刚好降为零。第20页/共55页 OSLSVVdtdiLdtdiL DLfVVTDLVVTLVViOSOSonOSL 11)()(DLfVTDLVTLViOOoffOL OLVdtdiL(2) 开关状态开关状态2：T管阻断管阻断, D管导通管导通(1) 开关状态开关状态1：T管导通管导通,D管阻断管阻断电流连续模式跟哪些因素有关电流连续模式跟哪些因素有关?电感电压与电感电流方向为非关联，所以有“-”负号问题思考第21页/共55页第22页/共55页l存在第三种状态存在第三种状态 :T、D都截止。都截止。l变

9、压比变压比第23页/共55页开关管T开通时）（ 111111LtUULtUUdittdtididtdiLUUUdtdiLUUUUonOSOSlonlllOSLlLOL/)(/)(;S第24页/共55页开关管开关管T关短，续流管关短，续流管D导通导通12222-offOOOllLlOLtLUtLUdtLUiididtdiLUU21lliionOSoffOtLUUtLU12112111DDDMUUUDDDUtttUSOSSoffononO或电路稳定输出时第25页/共55页一般情况下，一般情况下，D2不如不如D1表示方便，用表示方便，用D1表示表示M的推导如下：的推导如下：LOOSonLoffonM

10、offoniORUTTDLUUTDDTtLUttTIttTSIl12111212121面积LOOSRUDLUUTDD12121第26页/共55页不连续续流情况下联立解得：又：令1811218122212121122112111121DMDDDDDDMDDDDMTRLRUDLUUTDDLLLLLLOOS第27页/共55页参教材P8图1-5，关系曲线图与M连续续流情况下不连续续流情况下2112118112DDDMDML第28页/共55页断续和连续临界点的确定，续流断续，续流连续临界条件202020212121llliIiIiI,第29页/共55页LLLOofflTRLDRUTDLUtLUiI222

11、2212201020整理得：时，续流是连续的当临界电感COOOOonCOOonOOOOLCLLDfPUPUtTLPUtTUUIUTDTRDL122222122222第30页/共55页TicdtiCUUCUUULTUCClcCOiOOO81118120上的纹波电压：电容电容选择：2)(LMINLMAXOIII，选COOOOonCLLDfPUPUtTL122122第31页/共55页D选择：选择：OMAXFIMAXDRIIUU开关管开关管T选择：选择：ICUU62.第32页/共55页第33页/共55页第34页/共55页设Buck DC/DC变换器如下图。电源电压Vs=147220V，额定负载电流11

12、A，最小负载电流1.1A，开关频率20KHz。要求输出电压Vo=110V；纹波小于1%。要求最小负载时电感电流不断流。计算输出滤波电感L和电容C，并选取开关管T和二极管D。第35页/共55页2.1 电路结构和电路结构和升升压原理压原理2.2 电感电流连续时工作特性电感电流连续时工作特性2.3 电感电流断流时工作特性电感电流断流时工作特性第36页/共55页第37页/共55页第38页/共55页SonDTTlVG0, T管导通管导通,D阻断阻断 第39页/共55页SonSoffTDTTT)1 ( lVG=0, T管阻断管阻断第40页/共55页TTDonTTDoff)( 1LSL didtVSLsVi

13、D TLLSoL didtVV0(1)SLsVViD TL0/1/(1)SMV VDl理想理想Boost变换器的变压比变换器的变压比T导通导通,D截止截止T 阻断，阻断，D导通导通第41页/共55页001TSDIIIID输入电流和电感电流的电流平均值均为：输入电流和电感电流的电流平均值均为： 通过二极管的电流通过二极管的电流ID等于负载电流等于负载电流IO （电容的平均电流为零）（电容的平均电流为零） 通过开关管通过开关管T的电流平均值为：的电流平均值为：l工作电流的平均值表达式工作电流的平均值表达式011IDUUIIISOOLS第42页/共55页00(1)(1)SLLLSSVIIIDTLVD

14、 DTD DVLLfmaxmaxmax0012(1)12TDLSLIIIIiID DVDLf通过开关管通过开关管T和和D的电流最大值与电感电流的最大值相等的电流最大值与电感电流的最大值相等：l工作电流的其他表达式工作电流的其他表达式第43页/共55页000min0max0011ICfDDTICTonICCQVVVs 输出电压脉动等于开关管输出电压脉动等于开关管T导通期间电容导通期间电容C的电压变化量，的电压变化量， V0可近似地由下式确定可近似地由下式确定l理想理想Boost变换器输出电压纹波的大小变换器输出电压纹波的大小第44页/共55页 T T和和DD所承受的最大电压理想情况下均与输出电压

15、相所承受的最大电压理想情况下均与输出电压相等。等。l理想理想Boost变换器开关器件所承受的最大电压变换器开关器件所承受的最大电压第45页/共55页1.三种开关状态和变压比三种开关状态和变压比2.临界负载电流临界负载电流3.Boost变换器输出电压外特变换器输出电压外特性性第46页/共55页lVG0, T管导通管导通,D截止截止 ssLLDTLVIimax第47页/共55页lVG=0, T管阻断，管阻断，D导通导通soffssooffsoLTTDTDLVVTLVVi/11第48页/共55页lVG=0, T管阻断，管阻断，D管截止管截止 DM11)1 (111)1 (11111111DDDDDDDDDDDDDVVMso第49页/共55页2max)1 (2)1 (2)1 (2121DDLfVDDVVLfVTTDDTLVTTIIsooSsosssssoffLOB)1/( ),1/(1DVVDMso)1/(1DMl临界负载电流l当负载电流IOIOB,