开关电源02、开关电源基本拓扑结构

1、开关电源基本拓扑1开关电源基本拓扑结构开关电源基本拓扑2开关电源基本拓扑结构一、串联型buck converter 降压式(Buck)变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。Buck变换器的主电路由开关管Q，二极管D，输出滤波电感Lf和输出滤波电容Cf构成。开关电源基本拓扑3电流连续时的工作模式 (CCM)Mode 1(Q导通）Mode 2 (Q关断）开关电源基本拓扑4Mode 1(Q导通）Mode 2 (Q关断）Mode 3 (Q关断，负载由电容供电）电流断续时的工作模式 (DCM)开关电源基本拓扑5电流连续时(CCM)的工作原理 Assumptions： 1. 所用电

2、力电子器件理想，即Q和D的导通和关断时间为0，通态电压为0，断态漏电流为0； 2. 在一个开关周期中，输入电压Vin保持不变；输出滤波电容电压，即输出电压虽然有小的纹波，但可认为基本保持不变，其值为Vo； 3. 电感和电容均为无损耗的理想储能元件； 4. 不计线路阻抗。 5. 在0，Ton期间，Q导通； 6. 在Ton，Ts期间，Q截止。 7. 设开关管开关周期为Ts，则Ts=Ton+Toff, 开关频率fs1Ts。 8. 设占空比为Dy，Dy=TonTs。 9. 改变占空比Dy，即改变了导通时间Ton的长短，这种控制方式称为脉冲宽度调制控制方式(Pulse width modulation，

3、PWM）开关电源基本拓扑6Mode 1 0, TonfoinLfLVVdtdi(1.1)ysfoinonfoinLfDTLVVTLVVi)(1.2)oLfcfIiicfi0I0vLfi开关电源基本拓扑7Mode 2 Ton, TsfoLfLVdtdi(1.3)1 ()(ysfoofffoLfDTLVTLVi(1.4)cfi开关电源基本拓扑8Fundamental relationshipLfLfLfiii)()(1.5)From (1.2 ) & (1.4)yinoDVV(1.6) 2221sLfTiQ2maxmin0LfLfIII(1.7)28)1 (sffoyfofCLVDCQV(1.8)

4、LfoiESRV(1.9)开关电源基本拓扑9Mode 1(0,Ton)Mode 2 (Ton ,Tdis)Mode 3 (Tdis,Ts)电流断续时的工作模式 (DCM)开关电源基本拓扑10电流断续时(DCM)的工作原理及基本关系ysfoinonfoinLfDTLVVTLVVisoffsfoofffoLfTTDwhereDTLVTLVi(1.10)(1.11)DDDVVyyino(1.12)(1.13)(21)(21maxmaxDDITTITIyLfonLfsooff开关电源基本拓扑11电感电流临界连续syfoinLfTDLVVImax(1.14)(1.15)若用IoG表示临界电流连续的负载电

5、流, 则ysfoinoGDfLVVI2max21LfoGII(1.16)由于开关电源基本拓扑12 湘潭电机股份有限公司工矿湘潭电机股份有限公司工矿IGBT直流斩波车直流斩波车 电压等级1500V，主要由IGBT功率组件、微机控制单元构成。IGBT功率组件采用3300V/800A IGBT模块作为主功率元件，主元件散热器采用风冷热管散热器，一个IGBT功率组件单独驱动一台牵引电机。 微机控制盒的核心，配备为16位单片机80C196KC。吸收电路开关电源基本拓扑13 上海地铁一号线车辆辅助电路系统上海地铁一号线车辆辅助电路系统 （90年代初德国制造、当时世界先进水平） 800A/4500 V GT

6、O斩波器将直流1500 V进行斩波降压至直流775V，经800A/2500V GTO逆变器逆变为三相对称的50 Hz交流电。变压器起着隔离与降压作用，向辅助用电设备提供380V/220 V三相四线交流电源。开关电源基本拓扑14二、并联型boost converter 升压式(Boost)变换器是一种输出电压等于或高于输入电压的单管非隔离直流变换器。Boost变换器的主电路由开关管Q、二极管 D、滤波电感Lf和滤波电容Cf构成。开关电源基本拓扑结构开关电源基本拓扑15Mode 1(Q导通）Mode 2(Q关断）电流连续时的工作模式 (CCM)开关电源基本拓扑16Mode 1(Q导通）Mode 2

7、(Q关断）电流断续时的工作模式 (DCM)Mode 3(Q关断，负载由电容供电）开关电源基本拓扑17电流连续时(CCM)的工作原理Mode 1 0, TonfinLfLVdtdiysfinonfinLfDTLVTLVi)(开关电源基本拓扑18电流连续时(CCM)的工作原理Mode 2 Ton, TsfinLfLVVdtdi0)1 ()(00)(ysfinonsfinLfDTLVVTTLVVi开关电源基本拓扑19yinoDVV11Fundamental relationshipyinoDII1忽略变换器的损耗oDIIoyyoinQIDDIII1sfoyyyoLfiLDQTLVDDDIiIIII2

8、)1 (121maxmaxmaxoDQVVVQ和D截止时管电压：开关电源基本拓扑20Fundamental relationshipsyoTDIQ QfsyofoCTDICQVsyTDoIosyofVTDICoIcfi开关电源基本拓扑21Mode 10, Ton Mode 2Ton, Tdis 电流断续时的(DCM)的工作原理Mode 3Tdis, Ts 开关电源基本拓扑22电流断续时(DCM)的工作原理soffsfinoofffinoLfTTDwhereDTLVVTLVVisyfinlfLfTDLVIimaxDDDVVyinoFundamental relationship开关电源基本拓扑2

9、3若用IoG表示电流临界连续的负载电流, 则syyfinyLfGoGTDDLVDII)1 (2)1 (syfinLfLfGTDLVII221max电感电流临界连续maxLfLfIiyinoDII1由于设ILfG是临界连续电感电流平均值, then开关电源基本拓扑24Boost 升压电路在固体激光电源中的应用升压电路在固体激光电源中的应用光 学 与 光 电 技 术2003 年4 月 华中科技大学(军用光电技术) 激光电源用24 28V 的蓄电池供电激光器需要800 900V 的高压触发点燃氙灯。所以必须用升压电路将24 28V的电压升到800 900V 。在主电路中采用了Boost 升压电路。2

10、4 28V800 900V开关电源基本拓扑25三、倒极性buck-boost converter开关电源基本拓扑结构 升降压式(Buck/Boost)变换器输出电压可低于或高于输入电压。下图给出了它的电路拓扑图。Buck/Boost变换器的主电路由开关管Q，二极管D，输出滤波电感Lf和输出滤波电容Cf构成，其输出电压极性与输入电压极性相反。开关电源基本拓扑26电感电流连续时的工作模式 (CCD)Mode 1Mode 2开关电源基本拓扑27Mode 1 0, TonfinLfLVdtdiysfinonfinLfDTLVTLVi)(3.1)(3.2)电流连续时(CCM)的工作原理(operatin

11、g principle)开关电源基本拓扑28Mode 2 Ton, TsfoLfLVdtdi)1 ()(ysfoofffoLfDTLVTLVi(3.3)(3.4)开关电源基本拓扑29Fundamental relationshipLfLfLfiii)()(From (3.2 ) & (3.4)yyinoDDVV1(3.5)(3.6) yinyoyyinLfDIDIIIDDIII11000yoyinoinDQDVDVVVVV1fosyfoCITDCQV(3.7)(3.8)开关电源基本拓扑30电感电流断续时的工作模式 (DCD)Fig 3.3Mode 1Mode 2Mode 3开关电源基本拓扑31

12、电流断续时(DCM)的工作原理(operating principle) 及基本关系ysfinonfinLfLfDTLVTLVIimax）（soffsfoLfLfTTDwhereDTLVIimax（）(3.9)(3.10)DDVVyino(3.11)20max221DfLVDIIIsfLfDo(3.12)开关电源基本拓扑32电感电流临界连续(3.14)若用IoG表示临界电流连续的负载电流,)1 (GyLfoGDII(3.16)设ILfG是临界连续电感电流平均值, thensyfinLfLfGTDLViI221maxyoLfDII1于是由于(3.15)开关电源基本拓扑33鞍 山整 流 成套设备有

13、限公司全数字控制Boost-Buck DC/DC变换器的应用 给220V直流 屏 中 的直流母线供电。输入来自蓄电池两端，由于蓄电池在循环充放电过程中，其端电压的波动范围在0.8一1.2E (E=220V为蓄电池额定电压)，影响母线所挂设施的正常运行。详情参考电力电子技术2001年第2期。开关电源基本拓扑34电动客车直流电机驱动双向升降压变换器的研究哈尔滨工业大学 超级电容器供电的工作电压变化很大(约50)，不利于保证车辆动力性能和行驶速度的稳定。开关电源基本拓扑35牵引模式下，开关管S2始终阻断，仅由开关管S1进行牵引控制制动过程中，开关管S1始终阻断，仅由开关管S2进行制动控制开关电源基本

14、拓扑36 超级电容器是20世纪70年代未出现的一种新产品，它的研制成功是储能设备(蓄电池)的一次革命， 它的充放电效率高达98。 超级电容器电容量由微法拉级提高到法拉级，出现了l00000120000F的超级电容器，从此超级电容器开始进入电池应用市场，出现了超级电容器电动车的新概念，它以其优异的性能，改变了人们的传统认识，建立了全新的交通运输电动车的设计思想。 开关电源基本拓扑37 哈尔滨工业大学研制成功一款超级电容电动车，一次只需充电15分钟便能连续行驶25公里，最高时速可达52公里，2006年7月鉴定。超级电容器由哈尔滨市人和集团巨容新能源有限公司生产。该车无噪音、零排放、对环境无污染。开

15、关电源基本拓扑38新型大容量储能元件一超级电容在变频器中应用新型大容量储能元件一超级电容在变频器中应用 若用1F400V的电容器C， 充满电时所储的能量为W =(12)CUU=12 (400) =80000=80(KJ)式中U 为电容上的电压。所储能量十分可观。可将这种器件用来处理再生能量。选用合适容量、合适耐压的超级电容器作为再生能量的存储器， 电机进入发电状态后，母线电压上升，这时为电容充电，使母线电压下降。当再生发电过程结束、母线电压回落到安全值时， 让大电容向母线放电，将存储在电容上的电能再回馈到母线上去。 超级电容寿命 十年以上， 而且免维护。此外在移动通信中的应用在移动通信设备中和

16、智能仪表中可用作电源。开关电源基本拓扑39Buck ConverterBoost Converter Buck-Boost Converter开关电源基本拓扑40四、Cuk converter Cuk变换器是由Boost变换器和Buck变换器串联衍变而成。下图中给出了它的电路拓扑图。Cuk变换器的主电路由开关管Q，二极管D，输出滤波电感L1、L2和输出滤波电容C1、Cf构成。它由加州理工学院（CaliTech）的Slobodan Cuk 教授于1976年提出的。 L1 和L2绕在同一个磁芯上，存在互感。开关电源基本拓扑结构开关电源基本拓扑41Mode 1（L1和L2能量增加）Mode 2（L1和L2能量释放）开关电源基本拓扑42L1 和L2绕在同一个磁芯上，互感M，耦合系数12MKL L022(1)ysLeVD TiL 11inysLeV D TiL21211 (/)ekLM L222111 (/)ekLLM L01yinyDVVD经推导，开关电源基本拓扑43五、Sepic converter Sepic变换器是由Boost变换器和Buck/Boost变换器串联衍变而成. 它将两只开关管合并为一只开关管。下图中给出了它的电路拓扑图。Sepic变换器的主电路由开关管Q，二极管D，输出滤波电感L1、L2和输出滤波电容C1、Cf构成。开关电源基本拓扑结