电源设备中常用的四种变换电路

1、    电源设备中常用的四种变换电路摘要：实现了一种全集成可变带宽中频宽带低通滤波器，讨论分析了跨导放大器-电容(OTAC)连续时间型滤波器的结构、设计和具体实现，使用外部可编程电路对所设计滤波器带宽进行控制，并利用ADS软件进行电路设计和仿真验证。仿真结果表明，该滤波器带宽的可调范围为126 MHz，阻带抑制率大于35 dB，带内波纹小于05 dB，采用18 V电源，TSMC 018m CMOS工艺库仿真，功耗小于21 mW，频响曲线接近理想状态。关键词：ButteDC/DC变换将一种直流电压变换成另一种（固定或可调的）直流电压称为DC/DC变换（亦称

2、直流变换器）。这种技术被广泛地应用于无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速中，从而获得平稳地加速、减速、快速响应的性能，80年代兴起的电动汽车就是一例。下面介绍利用自关断器件构成的典型DC/DC变换电路。最基本的斩波电路如图形3.1所示，斩波器负载为R，当开关S合上时，uo=uR=Ud,并持续t1时间。当开关切断时uo=uR=0,并持续t2时间，T=t1t2为斩波器的工作周期，斩波器的输出波形见图3.1(b)。若定义斩波器的占空比D=t1/T,则从波形图可以获得输出电压平均值为图3.1降压斩波电路原理（a）电路(b)波形 若忽略开关的损耗，则输入功率Pi应与输出功率相等，

3、即从直流电源侧看的等效电阻Ri为Ri=Ud/Ioa=Ud/(DUd/R)=R/D(3.3)由式3.1可知，当占空比D从零变到1时，输出电压平均值从零变到Ud，其等效电阻也随着D而变化。t1为斩波器导通时间，T为通断周期，通常斩波器的工作方式有两种：（1）脉宽调制工作方式：维持T不变，改变t1。（2）脉频调制工作方式：维持t1不变，改变T。普遍采用的是脉宽调制方式。因为频率调制方式，容易产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。3.1降压式（Buck）变换器图3.1所示的直流变换器在使用时输出纹波较大，为降低输出纹波，在输出端接入电感L、电容C滤波电容，如图3.2（a）所示，图中V2为续流二极管。

4、这就是降压（Buck）式变换器，其输出电压平均值Uo总是小于输入电压Ud。通过电感中的电流（iL）是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。图3.2降压式（Buck）变换器（a）电路(b)波形当电路工作频率较高，若电感和电容量足够大并为理想元件，电路进入稳态后，可以认为输出电压为常数。当晶体管V1导通时，电感中电流呈线性上升，因而UdUoa=L(iomaxiomin)/ton=Lion/ton式中ton是晶体管导通时间。当晶体管截止时，电感中电流不能突变，电感上感应电动势使二极管导通，这时Uoa=L(iomaxiomin)/toff=Lioff/toff式中toff为晶体管截止时间。

5、在稳态时ion=ioff=i。因为电感滤波保持了直流分量，消除了谐波分量。输出电流平均值为Ioa=(iomaxiomin)/2=Uoa/RL(3.4)3.2升压式（Boost）变换器图3.3为升压式变换器，它由功率晶体管V1、储能电感L、二极管V2及滤波电容C组成。当晶体管导通时，电源向电感储能，电感电流增加，感应电动势为左正右负，负载Z由电容C供电。当V1截止时，电感电流减小，感应电动势为左负右正，电感中能量释放，与输入电压顺极性一起经二极管向负载供电，并同时向电容充电。这样把低压直流变换成高压直流。其输出电压平均值将超过电源电压Ud其电路的工作波形如图3.3(c)所示。在电感电流连续的条件

6、下，电路工作于图3.3（b）所示的两种状态。图3.3升压式(Boost)电路(a)电路；(b)等效电路；（c）波形图3.4升/降压式电路(a)电路；(b)等效电路；(c)波形（1）当晶体管导通、二极管截止（即0tt1=DT）期间，t1=0DT，t=0时刻，V1导通，电感中的电流按直线规律上升Ud=L(I2I1)t1=LI/t1(3.5)（2）当晶体管由导通变为截止（即t1tT）期间，电感电流不能突变，产生感应电动势迫使二极管导通，此时UoaUd=LI/t2,t2=DTT=(1D)T则I=Udt1/L=(UoaUd)t2/L将t1=DT,t2=(1D)T代入上式，则求得Uoa=Ud/(1D)(3

7、.6)式3.6表明，BoostDC/DC变换器是一个升压斩波器。当D从零趋近于1时，Uoa从Ud变到任意大。同理可求得输入电流I=Ioa/(1D)(3.7)T=ILUo/Ud(UoaUd)(3.8)I=Ud(UoaUd)/fLUoa=UdD/fL(3.9)式中f为开关转换频率。若忽略负载电流脉动，那么0,t1期间，电容上泄放的电荷量，反映了电容峰峰电压脉动量，亦即输出电压uo的脉动量(3.10)Uc=Ioa(UoaUd)/UoafC=IoaK/fC,K=(UoaUd)/Uoa(3.11)3.3升/降压式（BuckBoost）变换器图3.4（a）为BuckBoost电路，这是降压升压混合电路，其

8、输出电压可以小于输入电压Ud，也可以大于输入电压，而输出电压极性与输入电压相反。其工作波形示于图3.4(c)。在电感电流iL连续条件下，BuckBoost电路工作于图3.4(b)所示的两种状态。经分析推导，可以得出输出电压平均值为Uoa=UdD/(1D)(3.12)同前面分析一样，可得Io=IoaD/(1D)(3.13)4AC/AC变换在需要不同于市电频率或频率可变的交流电源的场合，通常采用AC/AC变换电路。41AC/AC变换的基本原理图4.1（a）所示为AC/AC变换器的原理电路图。实际上是由正组（P）双半波变流器和负组（N）双半波变流器反并联组成的。正组由V1和V2组成，负组由V3和V4

9、组成。当正组工作时，分别触发V1和V2使之导通，负载上获得正向电压。而负组工作时，对V3和V4触发使之导通，负载上获得反向电压。现以电阻性负载为例，并假定两组变流器不同时工作。（1）整半周工作方式假定输出交流电压的频率(fo)为电源频率（fs）的1/3，即To=3Ts。为此在输出的前半周期内（To/2）,让正组变流器工作3个电源电压整半周，在此期间内负组变流器被封锁；然后在输出的后半周期内，让负组变流器导通3个电源整半周，在此期间内正组变流器停止工作，这样可以获得如图4.1（b）所示的波形，其输出电压中的基波分量的频率为电源频率的1/3，即fo=fs/3，以此类推。按整半周工作方式，输出频率是

10、不能连续可调的，而且输出电压中包含大量的谐波。（2）调制工作方式若每个电源半周期不是整半周期导通，而是控制不同，让输出电压按理想的正弦进行调制，则能获得如图4.1（c）所示的波形，其输出电压中的基波频率仍然为电源频率的1/3，但其输出波形，比图4.1(b)更接近正弦波，其谐波含量降低。这种工作方式是实际AC/AC变换器所采用的。（3）高频工作方式这种工作方式不同于前述的两种，在1个电源电压的半周期内，两组变流器要轮流工作多次，当图4.1(a)的晶闸管用自关断器件代替时，就可以实现这种工作方式，而且要求先封锁已导通的变流器，然后才能使另一组变流器投入工作。若在1个电源电压周期里，以高速率切换两组

11、变流器，使其轮流工作，则能获得如图4.1（d）所示的波形，并称它为高频工作方式。图4.1AC/AC变换原理电路（a）电路；(b)整半周方式；(c)调制方式；(d)高频方式4.2调制工作方式的实现现以单相单相直接变频电路为例说明调制工作方式的原理及其实现方法。图4.2为单相桥式AC/AC变换电路。为了在负载一获得交变电压，可以交替地让正组变流器和负组变流器轮流工作，并控制的大小，使得输出电压的平均值按正弦规律变化。在半周期内，先让控制角由大变小，再由小变大，则输出电压的平均值将按低频正弦的规律变化。设理想的输出电压为(4.1)变流器输出电压平均值的基本公式为uo=(pUm/)sin（/p）cos(4.2)式中p为脉波个数。变流器输出电压同触发角之间符合余弦函数关系。图4.2(a),p=2,sin（/2）=1,则uo=(2Um/)cos，将所希望的输出电压波形ur=Ursin0t同us=（2Um/）cosst进行比较，从而求得对应输出电压每瞬时的触发角大小，如图4.2（b）所示的那样，该图对应电阻性负载，两组变流器均工作于整流方式。为了保证两组中的晶闸管不同时导通，两组之间切换时要留有一定的间隙时间to（大于器件的关断时间），在这期间，两组均不工作。图4.2调制工作方式原理（a）电路；(b)波形图4.3三相半