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文档简介
开关电源原理、设计与实例第3章基本PWM变换器主电路拓扑第一页,共49页。本章简介直流-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。第二页,共49页。3.1
概述一些拓扑更适用于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。第三页,共49页。表3-1开关电源拓扑的比较3.1
概述第四页,共49页。3.2Buck变换器3.2.1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。图3-1Buck变换器结构第五页,共49页。1.1
概述为了便于对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。
第六页,共49页。3.2Buck变换器第七页,共49页。3.2Buck变换器图3-2电路节点波形图
第八页,共49页。3.2Buck变换器第九页,共49页。3.2Buck变换器3.2.2电路关键节点波形第十页,共49页。3.2Buck变换器第十一页,共49页。3.2Buck变换器第十二页,共49页。3.2Buck变换器第十三页,共49页。3.2Buck变换器第十四页,共49页。3.2Buck变换器3.2.3主要参数计算方法第十五页,共49页。3.2Buck变换器第十六页,共49页。3.2Buck变换器第十七页,共49页。3.2Buck变换器第十八页,共49页。3.2Buck变换器第十九页,共49页。3.2Buck变换器第二十页,共49页。3.2.4Buck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。DCMBuck相对于CCMBuck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。3.2Buck变换器第二十一页,共49页。3.3Boost变换器3.3.1电路结构及工作原理第二十二页,共49页。3.3Boost变换器第二十三页,共49页。3.3Boost变换器第二十四页,共49页。3.3Boost变换器第二十五页,共49页。3.3Boost变换器第二十六页,共49页。3.3Boost变换器第二十七页,共49页。3.3Boost变换器3.3.2电路关键节点波形图3-7Boost电路主要波形图第二十八页,共49页。3.3Boost变换器图3-8连续模式下Boost调整器VT和电流波形第二十九页,共49页。3.3Boost变换器3.3.3主要参数计算方法第三十页,共49页。3.3Boost变换器第三十一页,共49页。3.4Buck-Boost变换器3.4.1电路结构及工作原理第三十二页,共49页。3.4Buck-Boost变换器第三十三页,共49页。3.4Buck-Boost变换器第三十四页,共49页。3.4Buck-Boost变换器3.4.2电路关键节点波形第三十五页,共49页。3.4Buck-Boost变换器3.4.3主要参数计算方法第三十六页,共49页。3.4Buck-Boost变换器第三十七页,共49页。3.4Buck-Boost变换器第三十八页,共49页。3.4Buck-Boost变换器第三十九页,共49页。3.5CUK变换器3.5.1电路结构及工作原理第四十页,共49页。3.5CUK变换器图3-13Boost-Buck串联变换器的等效电路第四十一页,共49页。3.5CUK变换器图3-14CUK变换器及其输入输出电流波形第四十二页,共49页。3.5CUK变换器图3-15CUK变换器中电流和电压的分配第四十三页,共49页。3.5CUK变换器第四十四页,共49页。3.5CUK变换器
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