开关电源原理、设计及实例第3章-基本PWM变换器主电路拓扑

1、直流-直流变换器也称为斩波器，通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比改变输出电压平均值。本章首先对直流斩波电路进行了简单介绍，重点对5种DC-DC电路拓扑结构、工作原理、关键节点的波形图进行了论述，包括：Buck，Boost，Buck-Boost，Cuk。最后概括地介绍了上述4种结构中参数的计算方法。本章要求了解直流斩波电路技术的内涵，重点掌握4种电路拓扑结构特点、原理及工作过程，从而为开关电源的设计打下基础。 一些拓扑更适用于DC/DC变换器，此时也称为直流斩波电路。直流斩波是将恒定的直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，一般指直接将一种直流电变为另一直

2、流电，不包括直流交流直流变换。电路选择时还要看是大功率还是小功率，高压输出还是低压输出，有些在相同功率输出下使用较少器件和可靠性之间有较好的折中。较小的输入/输出纹波和噪声也是拓扑经常考虑的因素。另外，有些拓扑自身缺陷，需要附加复杂且难以定量分析的电路才能工作。因此，要恰当选择拓扑，熟悉各种不同拓扑的优缺点及使用范围是非常重要的。错误的选择会使电源设计一开始就注定失败。表3-1给出了不同拓扑结构的性能特点，在设计时综合考虑其中的参数，选择最优方案。本章将介绍几种早期的基本拓扑，Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk等并讨论其工作原理、典型波形、优缺点以及应用场合。表3-1 开关电源

3、拓扑的比较拓扑功率范围/WVin（de） 范围/V输入输出隔离典型效率（%）相对成本Buck电路01000540无701.0Boost电路0150540无801.0Buck-Boost电路0150540无801.0正激式电路01505500有781.4反激式电路01505500有801.2推挽式电路1001000501000有752.0半桥电路100500501000有752.2全桥电路4002000+501000有732.53.2.1电路结构及工作原理Buck变换器又称为降压变换器、串联开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。由图3-1可知，Buck变换器主要包括：开关元件VT，二极管D1，电感

4、L1，电容C1和反馈环路。而一般的反馈环路由四部分组成：采样网络，误差放大器，脉宽调制器(PWM)和驱动电路。VGL1V1IVT误差放大器反馈环路驱动电阻vwmveaPWM-+VSVtrVref-+ISI0V0RLR1R2C1IL1IC1ID1VTVdc图3-1 Buck变换器结构 为了便于对Buck变换器基本工作原理的分析，我们首先作以下几点合理的假设：a、开关元件VT和二极管D1都是理想元件。它们可以快速的导通和关断，且导通时压降为零，关断时漏电流为零；b、电容和电感同样是理想元件。电感工作在线性区而未饱和时，寄生电阻等于零。电容的等效串联电阻和等效串联电感等于零；c、输出电压中的纹波电压

5、和输出电压相比非常小，可以忽略不计；d、采样网络R1和R2的阻抗很大，从而使得流经它们的电流可以忽略不计。 (d)(c)(b)(a)TonVGVwmOVV1VdcVtrVea图3-2 电路节点波形图 3.2.2 电路关键节点波形T TononT ToffoffV Vdcdc0 00 00 00 0I ID D1 1I IO Ot t0 0I IL L1 1t tt tt tt tI IC C1 1I IVTVTV V1 1T TT Td dT Tidid3.2.3主要参数计算方法3.2.4 Buck变换器优缺点Buck电路输入电流断续，输出电流连续，使用高压侧开关。 DCM Buck相对于CC

6、M Buck来说，可以减小电感匝数，减小开关管的电流应力，但需增大了电感线径，工作峰值电流会加倍，有效值电流也会较大，输出二极管的电流应力较大，这样会导致温升升高，EMC处理难度加大。3.3.1电路结构及工作原理L1vdcVTD1CoR0R1R2VwmVeaVrefV+PWMEA +3.3.2 电路关键节点波形VeaI电流D1电流V+VpeakVwm=PWM输出的脉宽调制电压TonTrTr图3-7 Boost 电路主要波形图电流L1I1I2导通导通I1II2I1I2I1图3-8 连续模式下Boost调整器VT和1D电流波形3.3.3主要参数计算方法3.4.1电路结构及工作原理123456ABC

7、D654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:28-Jul-2011Sheet of File:E:编写教材开关电源技术我编写部分图片图3-9.DdbDrawn By:VsRL1D2C1S1L2D1S2C2+ + + +- -+ +Vo123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:28-Jul-2011Sheet of File:E:编写教材开关电源技术我编写部分图片图3-9.DdbDrawn By:VsRL1L2C2+ + +- -+ +VoABBAS1S2123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:28-Jul-2011Sheet of File:E:编写教材开关电源技术我编写部分图片图3-9.DdbDrawn By:VsRLC+ + +- -+ +VoABBAS1S2C=C2123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:28-Jul-2011Sheet of File:E:编写教材开关电源技术我编写部分图片图3-9.DdbDrawn By:VsRLC+ +- -+ +VoBAS1+ +3.4.2 电路关键节点波