第一章基本开关型

1、第一章 基本开关型变换器主电路拓扑开关电源的基本元件：开关电源的基本元件：有源开关有源开关(Switch)二极管二极管(Diode)电感电感(Inductor)电容器电容器(Capacitor)变压器变压器(Transformer)+ u(t) -i(t)dttduCti)()(电容的基本方程电容的基本方程1. 当一电流流经电容当一电流流经电容, 电容两端的电压逐渐增加电容两端的电压逐渐增加, 并且电容量越大电流增加并且电容量越大电流增加越慢越慢.CItU CI+U- 2. 在稳态工作的开关电源中流经电容的电流对时间的积分为零。在稳态工作的开关电源中流经电容的电流对时间的积分为零。I+I-AB

2、面积A=面积B+ u(t) -i(t)dttdiLtu)()(电感的基本方程电感的基本方程1. 当一电感突然加上一个电压时当一电感突然加上一个电压时, 其中的电流逐渐增加其中的电流逐渐增加, 并且电感量越大电并且电感量越大电流增加越慢流增加越慢.2. 当一电感上的电流突然中断当一电感上的电流突然中断, 在其两端会产生一瞬时高压在其两端会产生一瞬时高压, 并且电感量越并且电感量越大该电压越高大该电压越高LUtI ULI+U-LItLIU电感的伏秒平衡原则：电感的伏秒平衡原则：dttdiLtu)()(u(t)i(t)V+V-t1t2LttVdttuLItt)()(10110t0)()(1201tt

3、VttVII对稳定状态IILttVdttuLItt)()(11221伏秒平衡原则伏秒平衡原则: 在稳态工作的开关电源中电感两端的正伏秒值等于负伏秒值在稳态工作的开关电源中电感两端的正伏秒值等于负伏秒值.V+V-ABV+V-AB面积A=面积B分析开关电源中电容和电感的几条原则：分析开关电源中电容和电感的几条原则：电容两端的电压不能突变 (当电容足够大时,可认为其电压不变)。电感中的电流不能突变 (当电感足够大时,可认为其电流恒定不变)。流经电容的电流平均值在一个开关周期内为零。电感两端的伏秒积在一个开关周期内必须平衡。dttduCti)()(dttdiLtu)()(TUIL*TIUC*恒流充电恒

4、压储能两个有用的公式：两个有用的公式：C:L: 开关电源的工作原理 开关电源的工作原理可以用上图进行说明。图中输入的直流不稳定电压Ui经开关S加至输入端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管。开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压Ui变成矩形脉冲电压。这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波就可得到稳定的直流输出电压Uo。 定义脉冲占空比如下：TtDon式中，T表示开关S的开关重复周期；ton表示开关S在一个开关周期中的导通时间。开关电源直流输出电压Uo与输入电压Ui之间具有如下关系： Uo=UiD 1.1 Buck 变换器基本电路模型 - Buck 变换器变换器降压变换器、

5、串联开关稳压电源开关闭合时，电能储存于电感和电容中(同时也馈向负载)。开关打开后，储存于电感和电容中的能量继续供给负载。二极管构成电流回路三点假设场效应晶体管、开关二极管均是理想开关器件；电感、电容是理想元件；1. 输出电压中小的纹波电压与输出电压相比可以忽略。降压型转换器控制电路控制电路VINVOUTVdiodeVGateILIT-VDVIN0VIN0Imax I1.电感电流连续电感电流连续VsVoDLIoSSULILVs-Vo-VooIIoD11-D1T根据L的伏秒平衡原则：(Vs-Vo)*D1Ts=Vo*(1-D1)TsVo=Vs *D1L*Io=Vo *(1-D)TIs根据L在1-D时

6、间的基本方程：Io=Vo *(1-D)T/LBuck电路的输入输出关系电路的输入输出关系,电压增益：电压增益：00.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.10.20.30.40.50.60.70.80.9110Vo D()10DVo/Vs = M2. 电感电流不连续工作状态D3TsVgs VL iLIo即是iL面积在Ts时间内的平均值，且等于Vo/R:RVTDDDVVTDDTIosossso)(21112121I。 即不连续状态下降压变换器的电压增益M为：18112DVVMLso在连续和不连续状态下，降压变换器电压增益M与占空比D1 的函数关系MD1sLTRL 2. 电感电

7、流中点与平均值Io的关系 3. 连续与不连上工作状态的临界条件)1 (22221222DfPVtIVTDIVTRDLsoooffoosooscLsRTLD22定义临界电感LcRVITDLVoioosL22221 4. 纹波电压oVsLcoTicttdtiCV81121sosooTLCDVTttLCVV8)(8212 5. Buck电路的特点 1.V0是V1在Ts内的平均值。 2.is是带斜坡脉动的 3.截止频率fcRVKIss理想状态下：RVIVoss2LCfc21 稳态特性与元器件参数的量化连续模型不连续模型ML1.2 Boost 变换器基本电路模型 - Boost 变换器变换器(升压型升压

8、型)开关闭合，电感中储存能量。开关打开时，电感中储存的能量通过二极管供给负载，同时对电容充电。负载电压跌落时，电容再放电，输出可获得高于输入的电压。基本电路模型 - Boost 变换器变换器(升压型升压型) 电路各点的波形-（Vo Vs)Vs0Vgs0Imax I 1. 电压增益与占空比的关系 （1）电感电流连续工作状态sSLTDLVi11sSoLTDLVVi22122111DDDDVsVoMmaxmax11DM 显然，若转换中无能量损耗，则有 （2）电感电流不连续工作状态ssLTLDVi221111DIIVVsoos （2）电感电流不连续工作状态ssLsTLDViI2211临界时ssssoT

9、LDVVoTLDVDI2(212)11211)1(2DIDTVLosoc122111DDDDVsVoMVoDDDVsVo211 211)1 (2DDRTLscL)21(221DDDDRTLscL)211 (2112LLDDD2/21121LDM不连续工作区连续工作区MD1 （3）电压增益受寄生参数的影响1222RRDDM D1 2. 电感电流连续与不连续工作状态的临界条件sLIi 21连续状态：临界状态：不连续状态：sLIi 21sLIi 21211)1 (2DDRTLscL211)1 (2DDRTLscL111DVsVoM321MMLc074.0LcLcMD1连续工作区域不连续工作区域连续工

10、作区域074.0LcLc不连续工作区域 稳态特性分析 1.)(1DfM 2/21121LDM1221LDLDM2211L 大功率升压变换器工作状态的设计 稳态特性与元器件参数的量化 启动过程特性分析1.3 Buck-Boost 变换器VinVoDLIoS1DS2基本电路模型 Buck-Boost (反转电路反转电路)开关接通，电感中流过电流，储存能量。开关断开，电感中电流流向负载。由于二极管的接法，负载得到反极性的电压。负载电压跌落时，电容再向负载放电。 主要概念与关系式1.电压增益 根据伏秒平衡原理，有sossTDVTDV2121DDVVMso当D10.5，升压变换中各量关系假设变换器效率很

11、高，几乎没有损耗，则oossIVIV12DDVVIIosso连续工作状态：121 DD111DDVVIIosso Vs: IomaxminssVVmax1max1min1DDVVsomin1min1max1DDVVsomaxminooIImax1max1maxmax1DDIIsomin1min1minmin1DDIIso 临界条件2)1 (12ML21)1 (2DL 纹波电压sTDLCVsVo18不连续工作区连续工作区MD1不连续工作区连续工作区MLc21.4 Cuk 变换器Boost - Buck变换器Boost - Buck变换器开关闭合，输入、输出环路闭合。电容C1供能给负载及L2。二极

12、管截止。开关打开时，二极管导通，对电容C1充电。输入、输出环路闭合。电感中储存的能量通过二极管供给负载。负载电压跌落时，电容再放电。三、稳态波形图稳态时，电感电压平均值为零。环路：Vs、L1、C1、L2、Vo、Vs中，有oscVVV1VT导通时，sLVV1SocLVVVV12稳态时，电感电压平均值为零。环路：Vs、L1、C1、VD、Vs中，有11LscVVVVT截止时，oLVV1oLVV2四、主要概念与关系式电压增益从L1的储放能计算Ton期间sLVV1sSonLTDLVi11 Toff期间sCLVVV11sScoffLTDLVVi)1(1111从L2的储放能计算sScsSTDLVVTDLV)1(111111211DVDVVSSc Ton期间ocLVVV12soconLTDLVVi1212 Toff期间oLVV2(1)soffLTDLVoi)1(12211DVoVc(2)比较（1）（2）式，有11211DDDDVVoMs当D10.5，M0.5，M1,升压 2. 临界条件2)1 (12ML21)1 (2DL21/ LLL 3. 不连续工作状态 晶体管导通，二极管截止 晶体管截止，二极管导通