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開關電源Buck-Boost變換器原理

admin @ 2014-03-19 , reply:0

概述

 開關電源Buck-Boost變換器原理 工作原理簡單介紹下1.在管子打開的時候,二極體D1反向偏置關斷,電流is流過電感L,電感電流iL線性上升,儲存能量!2.當管子關斷時,電感……

 開關電源Buck-Boost變換器原理

 

工作原理簡單介紹下

1.在管子打開的時候,二極體D1反向偏置關斷,電流is流過電感L,電感電流iL線性上升,儲存能量!

2.當管子關斷時,電感電流不能突變,電感兩端電壓反向為上負下正,二極體D1正向偏置開通!給電容C充電及負載提供能量!

3.接著開始下個周期!

從上面工作可以看出,Buck-Boost變換器是先儲能再釋放能量,VS不直接向輸出提供能量,而是管子打開時,把能量儲存在電感,管子關斷時,電感向輸出提供能量!

根據電流的流向,可以看出上邊輸出電壓為負輸出!

根據伏秒法則

vin*ton=vout*toff

ton=T*D

toff=T*(1-D)

代入上式得

vin*D=vout*(1-D)

得到輸出電壓和占空比的關係vout=vin*D/(1-D)

看下主要工作波形

 

 

從波形圖上可以看出,晶體管和二極體D1承受的電壓應力都為Vs+Vo(也就是vin+vout);

再看最後一個圖,電感電流始終沒有降到0,所以這種工作模式為電流連續模式(ccm模式)。

如果再此狀態下把電感的電感量減小,減到一定條件下,會出現這個波形!

 

 

從上圖可以看出,電感電流始終降到0后再到最大,所以這種模式叫不連續模式(DCM模式)。

把上邊的Buck-Boost變換器的開關管和續流管之間加上一個變壓器就會變成反激變換器!

 

 

還是和上邊一樣,先把原理大概講下:

1.開關開通,變壓器初級電感電流在輸入電壓的作用下線性上升,儲存能量。變壓器初級感應電壓到次級,次級二極體D反向偏置關斷。

2.開關關斷,初級電流被關斷,由於電感電流不能突變,電感電壓反向(為上負下正),變壓器初級感應到次級,次級二極體正向偏置導通,給C充電和向負載提供能量!

3.開始下個周期。以上假設C的容量足夠大,在二極體關斷期間(開關開通期間)給負載提供能量!

 咱先看下在理想情況下的VDS波形

 

 

上面說的是指變壓器和開關都是理想工作狀態!

從圖上可以看出Vds是由VIN和VF組成,VIN大家可以理解是輸入電壓,那VF呢?

這裡我們引出一個反激的重要參數:反射電壓即VF,指次級輸出電壓按照初次級的砸比反射到初級的電壓。可以用公式表示為VF=VOUT/(NS/NP),(因分析的是理想情況,這裡我們忽略了整流管的管壓降,實際是要考慮進去的)

式中VF為反射電壓;

VOUT為輸出電壓;

NS為次級匝數;

NP為初級匝數。

比如,一個反激變換器的匝比為NP:NS=6:1,輸出電壓為12V,那麼可以求出反射電壓VF=12/(1/6)=72V。

上邊是一個連續模式(CCM模式)的理想工作波形。

下面咱在看一個非連續模式(DCM模式)的理想工作波形

 

從圖上可以看出DCM的Vds也是由VIN和VF組成,只不過有一段時間VF為0,這段時候是初級電流降為0,次級電流也降為0。

那麼到底反激變化器怎麼區分是工作在連續模式(CCM)還是非連續模式(DCM)?

是看初級電感電流是否降到0為分界點嗎,NO,反激變換器的CCM和DCM分界點不是按照初級電感電流是否到0來分界的,而是根據初次級的電流是否到0來分界的。

如圖所示

 

 從圖上可以看出只要初級電流和次級電流不同時為零,就是連續模式(CCM);

只要初級電流和次級電流同時為零,便是不連續模式(DCM);

介於這倆之間的是過度模式,也叫臨界模式(CRM)。

以上說的都是理想情況,但實際應用中變壓器是存在漏感的(漏感的能量是不會耦合到次級的),MOS管也不是理想的開關,還有PCB板的布局及走線帶來的雜散電感,使得MOS的Vds波形往往大於VIN+VF。類似於下圖

 

 

這個圖是一個48V入的反激電源。

從圖上看到MOS的Vds有個很大的尖峰,我用的200V的MOS,尖峰到了196了。這是尖峰是由於漏感造成的,上邊說到漏感的能量不能耦合到次級,那麼MOS關斷的時候,漏感電流也不能突變,所以會產生個很高的感應電動勢,因無法耦合到次級,會產生個很高的電壓尖峰,可能會超過MOS的耐壓值而損壞MOS管,所以我們實際使用時會在初級加一個RCD吸收電路,把尖峰儘可能的吸到最低值,來確保MOS管工作在安全電壓。具體RCD吸收電路圖如下

 

 

 簡單分析下工作原理

1.當開關S開通時,二極體D反騙而截至。電感儲存能量。

2當開關S關斷時,電感電壓反向,把漏感能量儲存在C中,然後通過R釋放掉。細心的朋友可能會發現,當開關關斷的時候,這個RCD電路和次級的電路是一模一樣的,D整流,C濾波。R相當於負載。只不過輸出電壓不是VO,而變成了次級反射到初級的電壓VF。所以,注意了,R的值不能取得太小,太小了損耗嚴重,影響效率。而且電阻的功率會變的很大!

下邊來個加了RCD吸收的波形

 

 


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