电源技术课件-第6章.ppt
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1、第第6章章 开关稳压电源开关稳压电源 随着电力电子技术的高速发展,电力电子设备随着电力电子技术的高速发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切,而电子设与人们的工作、生活的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源。进入备都离不开可靠的电源。进入80年代计算机电源年代计算机电源全面实现了开关电源化,率先完成计算机的电源全面实现了开关电源化,率先完成计算机的电源换代;进入换代;进入90年代开关稳压电源相继进入各种电年代开关稳压电源相继进入各种电子、电器设备领域,程控交换机、通讯、电子检子、电器设备领域,程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了测设备电源、控制设备
2、电源等都已广泛地使用了开关稳压电源,更促进了开关电源技术的迅速发开关稳压电源,更促进了开关电源技术的迅速发展。展。开关稳压电源因为体积小、效率高(开关稳压电源因为体积小、效率高(75%以上)以上)已经充斥了我们的日常生活。已经充斥了我们的日常生活。开关稳压电源的输入并不限于是交流(开关稳压电源的输入并不限于是交流(AC/DC电源),还可以是直流(电源),还可以是直流(DC/DC电源和电源和DC/AC电电源)。开关稳压电源交流输入电压范围比较宽,可源)。开关稳压电源交流输入电压范围比较宽,可以从几十伏到上千伏。就目前而言,开关电源的控以从几十伏到上千伏。就目前而言,开关电源的控制方式有两种:制方
3、式有两种:脉宽调制脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)和)和频率调制频率调制(Pulse Frequency Modulation,PFM)。)。PWM比较常见,比较常见,多采用这种方式。在电磁兼容要求比较高的应用环多采用这种方式。在电磁兼容要求比较高的应用环境,境,采用采用PWM与与PFM组合方式组合方式。开关稳压电源高频化是其发展的方向,开关稳压电源高频化是其发展的方向,高高频化使开关电源小型化频化使开关电源小型化,并使开关电源进入,并使开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化、轻
4、的应用,推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用,对节约便化。另外开关电源的发展与应用,对节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。的意义。6.1 开关稳压电源概述开关稳压电源概述 线性稳压电源的调整管工作在线性放大状态,其线性稳压电源的调整管工作在线性放大状态,其功耗大、需加散热器,电源效率低功耗大、需加散热器,电源效率低(35%);开关;开关电源的调整管工作在开关状态(即饱和区和截止区),电源的调整管工作在开关状态(即饱和区和截止区),电源效率高电源效率高(70%)。二者的成本都随着输出功率。二者的成本都随着输出功率的增加而
5、增长,但在某一输出功率点上,线性电源成的增加而增长,但在某一输出功率点上,线性电源成本会高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新,本会高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新,也使得开关电源技术在不断地创新,这一成本反转点也使得开关电源技术在不断地创新,这一成本反转点日益向低输出功率电力端移动,这为开关电源提供了日益向低输出功率电力端移动,这为开关电源提供了广泛的发展空间。广泛的发展空间。开关电源开关电源产品广泛应用于工业、军工、民用等领域。产品广泛应用于工业、军工、民用等领域。开关稳压电源的电路结构:开关稳压电源的电路结构:Ui滤波整流及滤波功率开关器件高频变压器整流滤波控制电路输入回路
6、功率变换器UoAC/DCDC/DC包含:EMI、缓启动和APFC电路电路包含:输出整流、滤波和输出EMI电路变换电路有:反激、正激、推挽、半桥、全桥输出电路PWM控制电路、保护电路、辅助电源电路 输入回路、功率变换器、输出回路和控制电路输入回路、功率变换器、输出回路和控制电路等四部分。等四部分。非隔离式非隔离式DC/DC转换器,按有源功率器件的个数,转换器,按有源功率器件的个数,可以分为单管、双管和四管三类。单管可以分为单管、双管和四管三类。单管DC/DC转换转换器共有四种,即降压式(器共有四种,即降压式(Buck)DC/DC转换器转换器、升压式(升压式(Boost)DC/DC转换器、升压降压
7、式转换器、升压降压式(Buck-Boost)DC/DC转换器、转换器、Cuk DC/DC转换转换器。在这四种单管器。在这四种单管DC/DC转换器中,转换器中,Buck与与Boost是基本的是基本的DC/DC转换器拓扑结构,转换器拓扑结构,Buck-Boost、Cuk转换器是从中衍生出来的,还有双管的推挽式转换器是从中衍生出来的,还有双管的推挽式(Push-Pull Converter)、半桥()、半桥(Harf-Bridge Converter)DC/DC转换器和四管全桥(转换器和四管全桥(Full-Bridge Converter)DC/DC转换器。转换器。6.1.1 非隔离式变换器非隔离式
8、变换器 BUCK、BOOST、BUCK-BOOST三种常用非隔离式三种常用非隔离式DC/DC拓扑结构:拓扑结构:6.1.2 隔离式变换器隔离式变换器 隔离式隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的数来分类。单管的DC/DC转换器有正激式转换器有正激式(Forward)和反激式()和反激式(Flyback)两种;双管)两种;双管DC/DC转换器有双管正激式(转换器有双管正激式(DoubleTransistor Forward Converter)、双管反激式()、双管反激式(Double Transistor Flyback Converter
9、)、推挽式()、推挽式(Push-Pull Converter)和半桥式四种;四管)和半桥式四种;四管DC/DC转换转换器就是全桥器就是全桥DC/DC转换器。转换器。正激式、正激式、反激式开反激式开关电源关电源两种常用的隔离式变换器两种常用的隔离式变换器 正激式拓扑中正激式拓扑中,变压器,变压器T的作用是变压和开关,的作用是变压和开关,通过与通过与D1的配合,向后续的的配合,向后续的BUCK电路提供了变压电路提供了变压后的脉冲电压信号。后的脉冲电压信号。反激式拓扑中反激式拓扑中,变压器,变压器T的作用是储能和变压,的作用是储能和变压,相当于经过变压的电压源连接储能电感相当于经过变压的电压源连接
10、储能电感L,同后续电,同后续电路合成路合成BUCK-BOOST电路。电路。变压器在两种拓扑中的作用是有区别的,主要反变压器在两种拓扑中的作用是有区别的,主要反映在储能上,反激式对一次侧的储能有较高的要求,映在储能上,反激式对一次侧的储能有较高的要求,变压器的结构自然也有一定的区别,在工程设计中变压器的结构自然也有一定的区别,在工程设计中应当多加关注。应当多加关注。Buck、Boost、Buck-boost是三个最基是三个最基本的开关稳压电源拓扑结构。这些电源拓扑本的开关稳压电源拓扑结构。这些电源拓扑结构的区别主要在于结构的区别主要在于开关管、输出电感二极开关管、输出电感二极管、和输出电容管、和
11、输出电容的连接方式。各个不同的拓的连接方式。各个不同的拓扑结构体现了不同的电路属性,包括转换效扑结构体现了不同的电路属性,包括转换效率、输入与输出电流、输出电压纹波、电源率、输入与输出电流、输出电压纹波、电源系统频率响应及稳定度等。系统频率响应及稳定度等。6.2 降压型(降压型(Buck)变换器)变换器 6.2.1 Buck工作原理工作原理 图图6.2.1为包括驱动电路的为包括驱动电路的Buck变换器的拓扑结变换器的拓扑结构。开关元件由一个构。开关元件由一个N沟道的沟道的MOSFET管管 Q1和一个和一个二极管组合而成;电感器二极管组合而成;电感器L和电容器和电容器C组成输出滤波组成输出滤波器
12、。器。当当Q1导通时,导通时,VIQ1LC(R)构成回路,构成回路,输入电源经输入电源经Q1、电感器为负载提供电压。由于电、电感器为负载提供电压。由于电感感L器上的电流不能突变,呈线性增加,在电感上器上的电流不能突变,呈线性增加,在电感上建立电磁场,电感器建立电磁场,电感器L处于储能状态。由于处于储能状态。由于Q1处于处于饱和导通状态,饱和导通状态,D1处于反向偏置的截止状态,处于反向偏置的截止状态,C处处于充电状态。于充电状态。当当Q1截止时,截止时,LC(R)D1构成的回路,电构成的回路,电感器感器L上储存的电磁能量逐渐释放,电感器上的电上储存的电磁能量逐渐释放,电感器上的电压极性瞬间反转
13、为左负右正,压极性瞬间反转为左负右正,二极管二极管D1导通起续导通起续流作用流作用,电感器上的能量提供至负载端,而其电流,电感器上的能量提供至负载端,而其电流慢慢衰减至初始值。慢慢衰减至初始值。为了降低由于功率开关所产生的交流纹波,输出为了降低由于功率开关所产生的交流纹波,输出级采用电感器级采用电感器L和输出电容和输出电容C构成了低通滤波器,电构成了低通滤波器,电感器感器L的值越大,滤波效果越好。的值越大,滤波效果越好。根据电感上流过的电流形式不同,根据电感上流过的电流形式不同,buck电路的工电路的工作模式可分为作模式可分为连续导通模式(连续导通模式(CCM)和和非连续导通非连续导通模式(模
14、式(DCM)。在整个开关稳态运行过程中,连续。在整个开关稳态运行过程中,连续导通模式下流过电感上的电流最小值大于零,是连导通模式下流过电感上的电流最小值大于零,是连续导通的;非连续导通模式下流过电感上的电流有续导通的;非连续导通模式下流过电感上的电流有一段为零,不能连续导通,在每个转换周期内,电一段为零,不能连续导通,在每个转换周期内,电感上的电流从零开始上升至峰值点后,下降至零。感上的电流从零开始上升至峰值点后,下降至零。1.Buck结构连续导通模式稳态分析结构连续导通模式稳态分析 Buck电路功率开关电路功率开关Q1的导通和截止状态的等效的导通和截止状态的等效电路如图电路如图。导通状态导通
15、状态截止状态截止状态导通持续时间导通持续时间ton为为在在Q1导通期间,导通期间,Q1等效为一个低值的电阻等效为一个低值的电阻RDS(on),压降压降VDS=ILRDS(on)。VI-VDS的压降加到电感器左端的的压降加到电感器左端的C点,此时点,此时D1截止;电感器右端电压为截止;电感器右端电压为VO,电感器上,电感器上的电流从输入电源经的电流从输入电源经Q1、L向输出电容及负载电阻流向输出电容及负载电阻流动。此时,电感器动。此时,电感器L的压降为的压降为VI-VDS-VO,流经电感器,流经电感器的电流由初始值线性增加,电感器充电储能,补充的电流由初始值线性增加,电感器充电储能,补充Q1截止
16、期间对负载提供的能量损失。截止期间对负载提供的能量损失。onStDT 其中,其中,D为开关信号的占空比;为开关信号的占空比;TS为开关信号的为开关信号的周期。周期。截止持续时间截止持续时间toff为为(1)offStD T电感上的电压为电感上的电压为 LV=LI=LLLdiVTdtL Q1导通期间电感上电流的变化量为导通期间电感上电流的变化量为L()I(+)=IDSOonVVVtL 式中,电流增量的大小反应电感上的纹波电流式中,电流增量的大小反应电感上的纹波电流大小。大小。在回路在回路L-C(R)-D1中,中,D1起续流作用;流过电起续流作用;流过电感上的电流线性降低,电感器感上的电流线性降低
17、,电感器L左端的左端的C点的电位点的电位-Vd,Vd 为二极管为二极管D1的正向导通压降;电感器的正向导通压降;电感器L右端右端的电位仍为的电位仍为VO,电感器,电感器L上的压降为上的压降为VO+Vd。Q1截止期间电感上电流的变化量为截止期间电感上电流的变化量为 式中,电流的减小量的大小反应电感上的纹波式中,电流的减小量的大小反应电感上的纹波电流大小。电流大小。LI(-)=OdoffVVtL 在稳态工作的开关电源中,在稳态工作的开关电源中,Q1导通和截止期间,导通和截止期间,电感器达到伏秒平衡(电感器达到伏秒平衡(Volt-Second Balance),),即电感两端的正伏秒值等于负伏秒值;
18、另一方面,即电感两端的正伏秒值等于负伏秒值;另一方面,根据流经电感器的电流是连续的,即根据流经电感器的电流是连续的,即Q1导通和截止导通和截止两种状态下,电流的变化量相等。两种状态下,电流的变化量相等。则有则有 LL()I(+)=I(-)=IDSOOdonoffVVVVVttLL 在电感连续导通模式下,在电感连续导通模式下,ton=TSD,Toff=TS(1-D),输出,输出VO为为()(1)OIDSdVVVDVD 式中,忽略功率开关式中,忽略功率开关Q1的导通压降的导通压降VDS、二极管、二极管的正向导通压降的正向导通压降Vd,则输出电压,则输出电压 onOIIStVV DVT 由上式可知,
19、输出电压由上式可知,输出电压VO与与D、VI成正比。当输成正比。当输入电压有所变动时,可以通过改变占空比来保持输入电压有所变动时,可以通过改变占空比来保持输出电压的恒定;当负载增加时,増加占空比抵抗输出电压的恒定;当负载增加时,増加占空比抵抗输出电压的下降,通过闭环控制实现稳定的输出。出电压的下降,通过闭环控制实现稳定的输出。相对于线性变换器,开关型变换器的优势在于相对于线性变换器,开关型变换器的优势在于功率回路中的开关元件损耗很小。在开关型变换功率回路中的开关元件损耗很小。在开关型变换器中,功率开关管只有导通和完全关断两种状态,器中,功率开关管只有导通和完全关断两种状态,内部损耗非常小,所以
20、具有很高的转换效率。内部损耗非常小,所以具有很高的转换效率。Buck转换器在电感连续导通模式下的波形图转换器在电感连续导通模式下的波形图 在在IQ1-t图中,图中,Q1导通时,导通时,C点电位近似等于电源点电位近似等于电源电压电压VI,电感器承受的恒定电压为,电感器承受的恒定电压为VI-VO,电流线性,电流线性上升,其斜率为上升,其斜率为di/dt=(VI-VO)/L;Q1截止时,截止时,C点点电位,因为电感的电流不能突变,电感产生的反电电位,因为电感的电流不能突变,电感产生的反电动势以维持原来的电流,由于二极管动势以维持原来的电流,由于二极管D1导通续流,导通续流,C点电位被钳制在比地电位低
21、一个二极管导通压降点电位被钳制在比地电位低一个二极管导通压降的负值。电感器上的电压极性反相,流经电感器和的负值。电感器上的电压极性反相,流经电感器和二极管的电流线性下降,二极管的电流线性下降,Q1关断过程结束时,电流关断过程结束时,电流下降到初始值。下降到初始值。当当Q1关断时,关断前流过关断时,关断前流过Q1的电流转移流向二的电流转移流向二极管极管D1、电感器、电感器L、输出电容、输出电容C和负载。此时电感和负载。此时电感器器L上的电压极性反相,负值为上的电压极性反相,负值为(VO+0.7),电感器,电感器中的电流以中的电流以di/dt=-(VO+0.7)/L的斜率线性下降。的斜率线性下降。
22、在稳定运行状态下,在稳定运行状态下,Q1关断时间结束时,流经关断时间结束时,流经电感器的电流下降到电感器的电流下降到I1时,仍流过二极管时,仍流过二极管D1、输出、输出电容器电容器C和负载。当和负载。当Q1再次导通时,流经再次导通时,流经Q1的电的电流逐渐取代二极管流逐渐取代二极管D1的正向电流。当的正向电流。当Q1上的电流上的电流上升到上升到I1时,二极管时,二极管D1上的电流降到零并关断,上的电流降到零并关断,C点的电位近似上升到点的电位近似上升到VI,使,使D1反偏截止。反偏截止。电感器电感器L上的电流是上的电流是Q1导通时电流和导通时电流和Q1截止时截止时D1上上的电流之和,该电流包含
23、直流分量的电流之和,该电流包含直流分量IO和以和以IO为中线的为中线的三角波分量三角波分量(I2-I1),如图,如图IL-t所示。随着输出电流的改所示。随着输出电流的改变,斜坡中点也会变化,但斜坡的斜率保持不变。由变,斜坡中点也会变化,但斜坡的斜率保持不变。由于电感电流三角波的峰于电感电流三角波的峰-峰值与输出电流平均值无关,峰值与输出电流平均值无关,当当IO减小使得电流三角波谷值达到零时,称为临界负减小使得电流三角波谷值达到零时,称为临界负载电流载电流,即,即CCM和和DCM的边界情况。的边界情况。电感器左端是一个方波脉冲电感器左端是一个方波脉冲VC,如图,如图VCP-t所示所示(实线)。经
24、过滤波后的输出电压(实线)。经过滤波后的输出电压VO如图如图VO-t所示所示(虚线)。(虚线)。例例6.2.1 现有一现有一Buck型电源变换器,输入电压的型电源变换器,输入电压的波动范围为波动范围为925V,要求稳定的,要求稳定的5V输出,开关频率输出,开关频率等于等于20KHZ。求解:。求解:工作在工作在CCM模式下占空比的变化范围及开关管的模式下占空比的变化范围及开关管的导通时间导通时间ton?解:解:根据式根据式(6.2.8),占空比,占空比D 输出电压输出电压VO maxIm/5/956%OinDVVminIm/5/2520%OaxDVVonOIIStVV DVT导通时间导通时间(m
25、ax)maxmax/0.56/2028onSStDTDfus(min)minmin/0.20/2010onSStDTDfus2.Buck结构结构CCM/DCM边界条件分析边界条件分析 CCM模式、模式、DCM模式临界模式如图模式临界模式如图6.2.4所示。所示。()()12L avgO avgIII电感器的平均电流电感器的平均电流由于由于I=IOOonoffVVVttLL(6.2.8)(6.2.9)将式将式(6.2.9)代入式代入式(6.2.8),得,得分析:分析:()()=22 =(1)(1)222IOIOL avgO avgonSOOIoffSSVVVVIItDTLLVVVtD TDD T
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