各种开关电源电路原理详细解剖

1、123.1概述3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）3.4直流降压-升压变换器（BUCK-BOOST变换器）3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）3.6两象限、四象限直流-直流变换器3.7单端正激变换器和单端反激变换器1直流直流变换器3一、基本概念一、基本概念DC-DC变换器定义变换器定义:只对直流参数进行变换的电路3.1 3.1 概述概述4一般结构：完成的功能： 直流电幅值变换 直流电极性变换3.1 3.1 概述概述( (续续1)1)5二.理想直流变换器应具备的性能1.输入/输出端的电压均为平滑直流,无交流谐波分量2.输出阻抗为零3.1

2、 3.1 概述（续概述（续2 2）63.快速动态响应,抑制干扰的能力强4.高效率/小型化3.1 3.1 概述（续概述（续3 3）73.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器） 一、BUCK电路拓扑 T是全控元件(GTR,GTO,MOSFET,IGBT)，当 时，T导通。 D：续流二极管。 L和C组成LPF。, 0 DTt8二、工作原理 当 时，控制信号使得T导通，D截止，向L充磁,向C充电； 当 时，T截止，D续流，U0靠C放电和L中电流下降维持。, 0DTt,TDTt3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续1）9三、主要波形 两种理解方式：能量存储/电气工程滤波功能/电信工程3.2直

3、流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续2）10四、假设及参数计算1.T，D均为理想器件2.L较大，使得在一个周期内电流连续且无内阻3.直流输出电压U0为恒定4.整个电路无功耗5.电路已达稳态3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续3）11(一)、晶体管T导通工作模式（0tt1=KT）(二)、二极管D导通工作模式（t1tT）由（一）、（二）得：0LLddiuuuLdt21011dIIIUULLtt01()dUUtIL21III021IULtt021()UttIL 01021()()dUU tU ttILL 121,(1)tkT ttk T0dUkU3.2直流-直流降压变换器（BUCK变

4、换器）（续4）12 若假定Buck电路为无损的，则有即 开关周期T可表示为可求得 的表达为 或000ddUIU IkUI0IkI00()1()ddI LUTfUUUI00()ddUUUIfLU(1)dUkkIfL3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续5）13因此，电容上电压峰-峰脉动值为得或4 2I TQ8cQIUCfC002()8dcdU UUULCf U02(1)8cU kkULCf3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续6）14五、分析方法小结分析方法小结1、定性画出关键波形；2、由于LC网路的输入是方波，采用分时区线性化处理3、理想化处理：器件、电源和负载；4、在DC

5、/DC变换器中，降阶处理：假定电容上的端压为恒定值，将二阶微分方程降为一阶微分方程5、稳态条件下的的两个重要定律：TLdtu00Tcdti00电感伏秒平衡：电容电荷平衡：3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续7）15问题1： BUCK电路中，L、C 对电感电流iL脉动大小和输出电容电压uc的脉动大小分别有何影响？ L I L ，C UC f I ，UC I ，UC 确定，则： f C ，L (1)dU kkIfL 02(1)8cU kkULCf3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续8）16六、电流断续时的状况1、求Av 根据伏秒平衡律：2、求Dp平均电流：PdVpdPdDD

6、DUUAUDDDUTDUDTUU0000)()(TDLUIP00)(2)(21)(21000PPPPDDTDLUDDITTDDII3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续9）17解得：ooPPRUDDTDLUI)(2000202PpoDDDTRL2/8002TRLDDDP200/8112TDRLAV3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续10）18七七、典型应用典型应用3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续11）19作业1、比较CCM和DCM工作时，电压增益和电流增益公式，电感上电压的差别。2、试述CCM和DCM工作的优缺点。3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器

7、）（续12）203.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）一、一、BOOSTBOOST电路拓扑电路拓扑213.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续1）二、工作原理当, 01ttdLDTgUuoffVonVu, 022021,/,/, 0,UuuonVoffVutttdLDTg3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续2）23三、主要波形3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续3）24 四、参数计算（一）、晶体管T导通工作模式（0tt1=KT）（二）、二极管D导通工作模式（t1tT）由（一）、（二）可得：将 代入上式，则求得 2111dIIIULLtt1dU tI

8、L 021dIUULtt210()()dttUUIL 1021()()ddU tUUttILL 121,(1)tkT ttk T01dUUkKKo13.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续4）25 说明:1) K01，所以U0Ud，是升压电路。2) 可以调压。 两种模式：能量的传输模式1：0tKT，T/on，D/off，电流iL升高，等效电路：模式2：KTtT，T/off，D/on，电流iL降低，等效电路：0000,UKKKUUd3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续5）26设BOOST电路是无损的在0t1期间，二极管D截止，电容C向负载提供能量，电容电压的脉动量取决于在

9、这期间电容上释放的电荷量，当输出电压的脉动量远小于输出电压时，负载电流的脉动量可以忽略。则电容电压的脉动量为或01IIk110 100011ttCCI tUi dtI dtCCC0CI kUfC3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续6）27五、典型应用(1)3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续7）28六、典型应用(2) 作业：1.设计一个BUCK变换器并进行仿真，条件：f=25KHz，Ui=300v，Uo=150v，Io=6A，Io=1A，Upp=10v；2.设计一个BOOST变换器，条件： f=100KHz，Ui=150v，Uo=300v，Io=6A，IL=1A，U

10、pp=10v。3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续8）29思考题及作业1、BOOST电路能否空载运行？空载运行会带来什么问题？2、BOOST电路启动过程通常采用软启动，即占空比逐步增大的方法，为什么？3、在启动过程，BOOST电路的主电路和控制电路的时序为主电路先于控制电路工作，为什么？3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续9）303.4直流降压升压变换器(Buck-Boost变换器)313.4直流降压升压变换器(Buck-Boost变换器)（续1）一、电路 输入和输出反相，输出电压可以大于或小于输入电压。二、工作原理 在T导通时，D截止，电源向Ld输送能量,输出电压

11、是靠C0的放电保持基本不变； 在T/off时，D/on，把存放在中的能量释放给负载和电容。32三、主要波形3.4直流降压升压变换器(Buck-Boost变换器)（续2）33四、参数计算(一)、晶体管T导通工作模式（0tt1=KT） (二)、二极管D导通工作模式（t1tt2=T）由(一)、(二)可得：2111dIIIULLtt1dU tIL 021IULtt210()tt UIL 1021()dU tU ttILT 121,(1)tkT ttk T01dkUUk3.4直流降压升压变换器(Buck-Boost变换器)（续3）34设BUCK-BOOST电路是无损的从式（4-28）可得电容电压的脉动量

12、为01kIIkdU kIfL 110 100011ttCCI tUi dtI dtCCC0CI kUfC3.4直流降压升压变换器(Buck-Boost变换器)（续4）35图中由开关T、二极管D和L1、L2、C1构成的电路既能实现DC/DC升压变换又可实现降压变换，称为直流升压降压变换器，Cuk变换器。3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）36一、CUK电路的特点1.输入，输出电流皆没有脉动，只是在直流成分的基础上附加了一个不大的开关纹波；2.既可升压也可降压；3.开关晶体管发射极接地；4.输入输出电压反相。二、CUK电路 BUCK电路：以C1作为输入电源；R为负载，所以输出电流为连续。 B

13、OOST电路：以Ud作为输入电源；LPF为负载。与普通的BOOST电路相比，D与C1交换了以下位置，由于L1存在，所以输入电流为连续。3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续1）37三、工作原理 这个电路的关键是靠C1传输能量在 期间，VT/on，VD/off。输入电路：Ud给L1充磁；输出电路：Uc1给L2充磁。在 期间，VT/off，VD/on。输入电路：把L1中的存能送给C1，给C1充电，L1，L2中的能量均是减小的；输出电路：靠L2，C2中的存能维持输出电压基本不变。01UUudC, 01tt ,21ttt 3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续2）38波形1、两个电感上

14、的电压是相等的。2、管子所承受的反压=输入电压+输出电压=C1上的电压。3、管子所流过的电流=输入电流+输出电流4、C1充当了一个直流电源；作用存储能量/使得前后两级独立工作。3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续3）39四、电路分析(连续模型)1.均值等效电路 所以电感两端的均值电压为0，相当于虚短。 所以电容中的电流的均值为0，相当于虚断。00dtuTL00Tci dt 3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续4）402.CUK均值等效电路3.电压增益L1电压的瞬时值：若C1，C较大，认为电压恒定即：所以01UUUdC1LudU, 0KTt ,TKTt 1CduU 0211,

15、UUUuCCC1LudU, 0KTt ,TKTt 01UUUCd3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续5）41L2电压的瞬态值：结论：如果 则2LudCUUu010U, 0KTt ,TKTt 12,C C 12LLuu000)1 (TUKTUKKTUdDDDDAV00121021)1 ( IITUKIKTUId3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续6）42Cuk：Buck：Boost：所以Buck-Boost及Cuk的增益为Buck与 Boost增益的积。电流增益：4.输出，入端电流脉动入端:出端:DDDDAV001DAV0DAVDDIIAdI001LDTUIdd2201)(L

16、DTULDTUUIdco3.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续7）43上式说明：如果L1，Id，如果L2，Id 。式和式相除得：上式再次证明了uL1=uL2的结论。输入电流的最大值：输出电流的最大值：VT电流最大值：dtdiLdtdiLLLIIdd10212010022LDTUIDDIIIddddm200002LDTUIIIIdmmdmTMIII03.5直流升压-降压变换器（CUK变换器）（续8）44注意：iT的最大值发生在t=DT，与Id，I0的最大值同时发生。5.波形(自己画)3.53.5直流升压直流升压- -降压变换器（降压变换器（CUKCUK变换器）（续变换器）（续9 9）45

17、小结：不同变换器比较3.53.5直流升压直流升压- -降压变换器（降压变换器（CUKCUK变换器）（续变换器）（续1010） 1 . B u ck 变 换 器 2 . B o o st 变 换 器 3 . C u k 或B o o st-B u ck 变 换器 4 . B u ck -B o o st 变 换 器 电 路结 构 电 流连 续时 变比M DVVMSO DVVMSO11 MMD1 DDVVMSO1 MMD1 临 界负 载电 流 DLfVISOOB12 D 越 小 ，OBI越 大 OBI最 大 值SOOBmLfVI2/ 212DDLfVISOOB 3/1D时 ，OBI最 大 值 SO

18、OBmLfVI227/ 212DLfVISOOB D 越 小 ，OBI越 大 ，OBI最 大值SOOBmLfVI2/ 电 流不 连续 时 变 压比 SSOSOOSOLfVIDDLfVIDVVM2/ 2/4112222 SSOSOOLfVIDLfVIDM21 27112122272 SSOSOOSOLfVIDLfVIDVVM2/ 2/2 463.6 两象限、四象限直流直流变换器第一象限：第一象限：Ud0, Id0第二象限：第二象限：Ud0, Id0第三象限：第三象限：Ud 0, Id 0 第四象限：第四象限：Ud 0IdUd47直流电机电枢绕组的反电势直流电机电枢绕组的反电势Ea与其励磁磁通和转

19、速与其励磁磁通和转速N的乘积成正比：的乘积成正比： NKEea 电枢电压平衡方程为：电枢电压平衡方程为：ABABaABaVIRVEeABeABaABeaKVKIRVKEN转速转速高低由电枢电高低由电枢电压的压的大小大小决定，转决定，转速方向由电枢电压速方向由电枢电压的的方向方向决定。决定。ABTeIKT 电机的转矩方程为：电机的转矩方程为：转转矩矩大小由电枢电流大小由电枢电流的的大小大小决定，转矩方决定，转矩方向由电枢电流的向由电枢电流的方向方向决定。决定。 转矩方向与电机转向相同为电动状态，反之为制动状态转矩方向与电机转向相同为电动状态，反之为制动状态直流电动机的特性直流电动机的特性3.6

20、两象限、四象限直流直流变换器（续1）48直流电机的四象限运行3.6 两象限、四象限直流直流变换器（续2）491、两象限直流直流变换器UAB始终始终大于零大于零工作状态：工作状态：iAB可正可正可负可负电机转向电机转向始终为始终为正正电磁转矩电磁转矩可正可负可正可负电动电动制动制动3.6 两象限、四象限直流直流变换器（续3）50VTTVDSonAB工作模式：降压（将Vd的电压降低后送到负载）输出电压方向：正向输出电压大小：输出电流方向：正向 电机运行于电机运行于正向电动正向电动状态，能量由输入直流电状态，能量由输入直流电源供向负载。源供向负载。(b)降压变换电路第一象限工作第一象限工作3.6 两

21、象限、四象限直流直流变换器（续4）51工作模式：输出电压方向： 正向输出电压大小：输出电流方向： 负向 电机运行于电机运行于正向制动正向制动状态，状态，能量由负载向直流输入电源能量由负载向直流输入电源回馈。回馈。ABABdVVDV11升压（将负载的电压升高后向Vd回馈电能）(c)升压变换电路第二象限工作第二象限工作3.6 两象限、四象限直流直流变换器（续5）522、 四象限直流直流变换器 3.6 两象限、四象限直流直流变换器（续6）53第三、四象限运行等效电路第三、四象限运行等效电路3.6 两象限、四象限直流直流变换器（续7）54VTTVDSonBA工作模式：降压（将Vd的电压降低后送到负载）

22、输出电压方向：反向（VAB0）输出电压大小：输出电流方向： 反向 电机运行于电机运行于反向电动反向电动状态，能量由直流输入电状态，能量由直流输入电源供向负载。源供向负载。第三象限工作第三象限工作3.6 两象限、四象限直流直流变换器（续8）55工作模式：输出电压方向：正向输出电压大小：输出电流方向：反向 电机运行于反向制动状电机运行于反向制动状态，能量由负载供向直态，能量由负载供向直流输入电源。流输入电源。11sABABVVVD升压（将负载的电压升高后向Vd回馈电能）第四象限工作第四象限工作3.6 两象限、四象限直流直流变换器（续9）563.7单端正激变换器和单端反激变换器 3.7.1 单端正激

23、变换器 3.7.2 单端反激变换器571、单端正激变换器 单端变换器变压器工作在B-H平面的第一象限； 正激变换器在T导通时，变压器向负载传递能量。 正激变换器特点输出功率50-200W较大。(b) 单端正激DC/DC变换器3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续1）58N2、D2导电导电N3、D1、D3截止截止T导通：导通：Ton=DTs期间121122/dNUU NNVNR3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续2）59 D2截止；i3将 N3感应电势经D3反送至电源，i3减小到零; iL 经D1续流。T截止：截止：Toff = (1-D)Ts期间期间 sV20U 3.7单端正激变换器和单

24、端反激变换器（续3）60 输出电压U2与Ud的关系 等效电路(N2向右看相当于BUCK电路)改变D可以改变U0,0TTtTtonon2120dNUNU2221onoonoffU TU N DVTTN3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续4）61工作波形3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续5）62开关管两端的最大电压T两端的反压为：13133dddNNNUUUNN3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续6）63)/(311maxNNNDD通常取 N3=N1，故工作中的最大占空比 Dmax=0.5 因此T的反压 最大运行导通比133max2TddNNUUUN3.7单端正激变换器和单端反激变换

25、器（续7）64双管正激变换器T1和T2具有相同的占空比； T1、T2导通时，D1、D2反偏截止，电源通过变压器向负载输送能量 T1、T2截止时，iL经D续流，变压器激磁电流经D1、D2返回电源，起去磁作用。 不需要专门的去磁绕组; 多一个开关管；开关管上承受的电压仅为Ud，小于单管变换器。双管正激变换器3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续8）652、单端反激变换器 反激变换器开关管导通开关管导通时电源将电能转为磁能储存时电源将电能转为磁能储存在电感（变压器）中，当开在电感（变压器）中，当开关管关断时再将磁能变为电关管关断时再将磁能变为电能传送到负载能传送到负载 单端变换器变压器工作在B-H

26、平面的第一象限； 反激变换器特点输出功率较小，一般小于100W。单端反激变换器单端反激变换器3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续9）66一、拓扑推演-从BUCK-BOOST到Flyback变换器BUCK-BOOSTBUCK-BOOST变换器变换器电感用两个并电感用两个并联线圈代替联线圈代替3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续10）671. 工作原理工作原理 当当 T导通导通, 原边原边N1电感上电电感上电压的极压的极 上正下负上正下负 , 副边副边N2电电压的极为压的极为上负下正上负下正,因此因此, 二二极管极管D1截止截止, 所以把能量存所以把能量存储在原边储在原边N1上上, 负载负载 靠电容靠电容C放电维持。放电维持。 当当 T截止截止, 原边电感上的电原边电感上的电压为压为上负下正上负下正, 副边电压为副边电压为上正下负上正下负 , D1导通导通, 把存储在副边的能把存储在副边的能量传给电容和负载。量传给电容和负载。工作区域工作区域 3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续11）682. 两种导电模式两种导电模式连续导电方式连续导电方式: 在在T截止期间截止期间, 初级的初级的储能储能 被部分释放被部分释放.不连续导电方式不连续导电方式: 在在T截止期间截止期间, 初级初级的储能被全部