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、2021/3/131 2021/3/132 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。 2021/3/133 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

2、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

3、、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。 2021/3/134 表3-1 开关电源拓扑的比较 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701.0 Boost电路0150540无801.0 Buck-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732.5 2021/3/135 3

4、.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 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。 VG L1V1 IVT 误差放大器 反馈环路 驱动 电阻 vwmvea PWM - + VS Vtr Vref - + IS I0 V0 RL R1 R2 C1 IL1 IC1 ID1 VT Vdc 图3-1 Buck变换器结构 2021/3/136 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

5、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。 2021/3/137 2021/3/138 (d) (c) (b) (a) Ton VG Vwm OV V1 Vdc Vtr Vea 图3-2 电路节点波形图 2021/3/139 2021/3/1310 3.2.2 电路

6、关键节点波形 T Tonon T Toffoff V Vdcdc 0 0 0 0 0 0 0 0 I ID D1 1 I IO O t t 0 0 I IL L1 1 t t t t t t t t I IC C1 1 I IVT VT V V1 1 T T T Td dT Tidid 2021/3/1311 2021/3/1312 2021/3/1313 2021/3/1314 2021/3/1315 3.2.3主要参数计算方法 2021/3/1316 2021/3/1317 2021/3/1318 2021/3/1319 2021/3/1320 2021/3/1321 3.2.4 Buck

7、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CCM 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。 2021/3/1322 3.3.1电路结构及工作原理 L1 vdc VT D1 CoR0 R1 R2 Vwm Vea Vref V+ PWM EA + 2021/3/1323 2021/3/1324 2021/3/1325 2021/3/1326 2021/3/1327 2021/3/1328 3.3.2 电路

8、关键节点波形 Vea I 电流 D1电流 V+Vpeak Vwm=PWM输出的脉宽 调制电压 TonTr Tr 图3-7 Boost 电路主要波形图 2021/3/1329 电流 L1 I1 I2 导通 导通 I1I I2 I1 I2 I1 图3-8 连续模式下Boost调整器VT和 1 D电流波形 2021/3/1330 3.3.3主要参数计算方法 2021/3/1331 2021/3/1332 3.4.1电路结构及工作原理 2021/3/1333 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:28-Jul-201

9、1Sheet 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: Vs R L1D2 C1 S1L2 D1 S2 C2 + + + + + + - - + + Vo 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date: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: Vs R L1L2 C2 + + + + - - + + Vo A B B A S1S2 123456 A B C D 654321 D C B A

10、 Title NumberRevisionSize B Date: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: Vs R L C + + + + - - + + Vo A B B A S1S2 C=C2 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date: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: Vs R L C + + - - + + Vo BA S1 + + 2021/3/1334 2021/3/1335 3.4.2 电路关键节点波形 2021/3/1336 3.4.3主要参数计算方法 2021/3/1337 2021/3/1338 2021/3/1339 2021/3/1340 3.5.1电路结构及工作原理 2021/3/1341 图3-13 Boost-Buck串联变换器的等效电路 2021