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开关电源Buck-Boost变换器原理

时间:2013-03-11      关键字:Buck-Boost,开关电源,变换器,   

 开关电源Buck-Boost变换器原理

 

工作原理简单介绍下

1.在管子打开的时候,二极管D1反向偏置关断,电流is流过电感L,电感电流iL线性上升,储存能量!

2.当管子关断时,电感电流不能突变,电感两端电压反向为上负下正,二极管D1正向偏置开通!给电容C充电及负载提供能量!

3.接着开始下个周期!

从上面工作可以看出,Buck-Boost变换器是先储能再释放能量,VS不直接向输出提供能量,而是管子打开时,把能量储存在电感,管子关断时,电感向输出提供能量!

根据电流的流向,可以看出上边输出电压为负输出!

根据伏秒法则

vin*ton=vout*toff

ton=T*D

toff=T*(1-D)

代入上式得

vin*D=vout*(1-D)

得到输出电压和占空比的关系vout=vin*D/(1-D)

看下主要工作波形

 

 

从波形图上可以看出,晶体管和二极管D1承受的电压应力都为Vs+Vo(也就是vin+vout);

再看最后一个图,电感电流始终没有降到0,所以这种工作模式为电流连续模式(ccm模式)。

如果再此状态下把电感的电感量减小,减到一定条件下,会出现这个波形!

 

 

从上图可以看出,电感电流始终降到0后再到最大,所以这种模式叫不连续模式(DCM模式)。

把上边的Buck-Boost变换器的开关管和续流管之间加上一个变压器就会变成反激变换器!

 

 

还是和上边一样,先把原理大概讲下:

1.开关开通,变压器初级电感电流在输入电压的作用下线性上升,储存能量。变压器初级感应电压到次级,次级二极管D反向偏置关断。

2.开关关断,初级电流被关断,由于电感电流不能突变,电感电压反向(为上负下正),变压器初级感应到次级,次级二极管正向偏置导通,给C充电和向负载提供能量!

3.开始下个周期。以上假设C的容量足够大,在二极管关断期间(开关开通期间)给负载提供能量!

 咱先看下在理想情况下的VDS波形

 

 

上面说的是指变压器和开关都是理想工作状态!

从图上可以看出Vds是由VIN和VF组成,VIN大家可以理解是输入电压,那VF呢?

这里我们引出一个反激的重要参数:反射电压即VF,指次级输出电压按照初次级的砸比反射到初级的电压。可以用公式表示为VF=VOUT/(NS/NP),(因分析的是理想情况,这里我们忽略了整流管的管压降,实际是要考虑进去的)

式中VF为反射电压;

VOUT为输出电压;

NS为次级匝数;

NP为初级匝数。

比如,一个反激变换器的匝比为NP:NS=6:1,输出电压为12V,那么可以求出反射电压VF=12/(1/6)=72V。

上边是一个连续模式(CCM模式)的理想工作波形。

下面咱在看一个非连续模式(DCM模式)的理想工作波形

 

从图上可以看出DCM的Vds也是由VIN和VF组成,只不过有一段时间VF为0,这段时候是初级电流降为0,次级电流也降为0。

那么到底反激变化器怎么区分是工作在连续模式(CCM)还是非连续模式(DCM)?

是看初级电感电流是否降到0为分界点吗,NO,反激变换器的CCM和DCM分界点不是按照初级电感电流是否到0来分界的,而是根据初次级的电流是否到0来分界的。

如图所示

 

 从图上可以看出只要初级电流和次级电流不同时为零,就是连续模式(CCM);

只要初级电流和次级电流同时为零,便是不连续模式(DCM);

介于这俩之间的是过度模式,也叫临界模式(CRM)。

以上说的都是理想情况,但实际应用中变压器是存在漏感的(漏感的能量是不会耦合到次级的),MOS管也不是理想的开关,还有PCB板的布局及走线带来的杂散电感,使得MOS的Vds波形往往大于VIN+VF。类似于下图

 

 

这个图是一个48V入的反激电源。

从图上看到MOS的Vds有个很大的尖峰,我用的200V的MOS,尖峰到了196了。这是尖峰是由于漏感造成的,上边说到漏感的能量不能耦合到次级,那么MOS关断的时候,漏感电流也不能突变,所以会产生个很高的感应电动势,因无法耦合到次级,会产生个很高的电压尖峰,可能会超过MOS的耐压值而损坏MOS管,所以我们实际使用时会在初级加一个RCD吸收电路,把尖峰尽可能的吸到最低值,来确保MOS管工作在安全电压。具体RCD吸收电路图如下

 

 

 简单分析下工作原理

1.当开关S开通时,二极管D反骗而截至。电感储存能量。

2当开关S关断时,电感电压反向,把漏感能量储存在C中,然后通过R释放掉。细心的朋友可能会发现,当开关关断的时候,这个RCD电路和次级的电路是一模一样的,D整流,C滤波。R相当于负载。只不过输出电压不是VO,而变成了次级反射到初级的电压VF。所以,注意了,R的值不能取得太小,太小了损耗严重,影响效率。而且电阻的功率会变的很大!

下边来个加了RCD吸收的波形

 

 


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