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目录

1 BUCK变换器

1.1 Buck电路工作原理

1.2 Buck电路输入输出关系推导

2 BOOST变换器

2.1 Boost电路工作原理

2.2 Boost电路输入输出关系推导

3 BUCK-BOOST变换器

3.1 Buck-Boost电路工作原理

3.2 Buck-Boost电路输入输出关系推导

1 BUCK变换器

        Buck电路,又称降压电路,这是一种应用非常广泛的非隔离DC-DC转换电路,顾名思义,这种变换器只能降压。基本拓扑如下图所示:

        电路中主要元器件包括开关管Q1,续流二极管D1,储能电感L1,输出滤波电容C1及负载电阻R1。输入直流电源Vin,输出直流电压Uo。

1.1 Buck电路工作原理

        开关管的导通与关断受控制电路输出的驱动脉冲控制。

        当开关管Q1驱动为高电平时,开关管导通,如下图左,续流二极管反向截止,电流iL流经电感L1向负载R1供电;此时L中的电流逐渐上升,在L1两端产生左端正右端负的自感电势阻碍电流上升,L1将电能转化为磁能储存起来。

        经过时间ton后,控制电路脉冲为低电平,开关管关断,如下图右,但L中的电流不能突变。这时电感L1两端产生右端正左端负的感应电动势阻碍电流下降,从而使D1正向偏置导通,于是L中的电流经D构成回路,电流值逐渐下降,L中储存的磁能转化为电能释放给负载R1。经过toff后,控制电路脉冲又使开关管导通,重复上述过程。

1.2 Buck电路输入输出关系推导

        从以上原理分析可知,buck电路的电感在开关导通时充能,在开关关断时放能,在进入稳定工作状态后,在一个开关周期内,电感补充的能量和释放的能量一定是相等的,电感的能量计算公式为:W=1/2 L*I²,由此可知,充能和放能时电流的变化量是相等的。如下图CCM模式下电感电流、电感电压、开关信号的变化波形:

        开关管导通时间为ton,关断时间为toff,PWM周期为T,设D=ton/T为PWM的占空比。在ton时间,开关管导通,续流二极管D1截止,电感两端的电压Vin-Vo(极性左正右负),电感电流从iLmin线性上升到iLmax,导通时间内,电感电流增量为(计算忽略开关管压降):

        当开关管关断时,二极管D导通,电感L两端电压差为-Vo(极性左负右正),电感电流线性下降到iLmin,减小量为(计算忽略二极管压降):

        这两个电流变化量相等,可以得出,这就是伏秒积平衡:

        整理得:

        从上式可以看出buck变换器只能降压。

2 BOOST变换器

        Boost电路,又称升压电路,顾名思义,这种变换器只能升压。基本拓扑如下图所示:

        电路元件和buck电路基本一致,只是开关器件、储能电感、二极管的位置有变化。

2.1 Boost电路工作原理

        如下图左,当开关管导通的时候,输入的电压对电感充电,形成的回路是:输入Vi→电感L→开关管Q;

        如下图右,当开关管关断时,输入的能量和电感能量一起向输出提供能量,形成的回路是:输入Vi→电感L→二极管D→电容C→负载RL,此时负载的供电电源相当于Vi加上电感的感应电动势,从而实现升压。

2.2 Boost电路输入输出关系推导

        假设当前开关管SW正在以一定的频率快速进行开关,并达到平衡的过程。开关导通时,此时是电感的充能过程,电感内电流线性爬升,电感两端产生的感应电动势为左正右负,忽略开关管压降,则电感两端电压等于输入电压:

        开关断开时,由于电感电流不能突变,依据楞次定律,电感将产生与输入电压同方向的感应电动势,以维持电流的输出,此时是电感的放能过程,电感内电流线性下降,电感两端产生的感应电动势为左负右正,忽略二级管压降,则输出电压等于输入电压与电感电压之和:

        CCM模式下电感电流的变化波形如下:

        根据以上的分析可知,电感在开关导通和断开时变化的能量同样相同,所以仍然满足伏秒积平衡:

        即:

        占空比为D时:

        从上式可以看出boost变换器只能升压。

3 BUCK-BOOST变换器

        BUCK-BOOST变换器是输出电压可低于或高于输入电压的一种单管直流变换器。基本拓扑如下图所示:

        开关器件、储能电感、二极管的位置继续变化,电感位于中间,这种拓扑的输出电压极性与输入电压相反。

3.1 Buck-Boost电路工作原理

        如下图右上,当开关管导通时,输入的电压对电感充电,形成的回路是:输入Vi→开关管Q→电感L;

        如下图右下,当开关管关断时,电感能量经续流二极管释放,形成的回路是:电感L→电容C→负载RL→二极管D。

3.2 Buck-Boost电路输入输出关系推导

        开关导通时,电感充能,开关关断时电感放能,充放能相等,同样满足伏秒积平衡。

        开关导通时,电感充能,产生上正下负的感应电动势,忽略开关管压降:

        开关关断时,电感放能,产生下正上负的感应电动势,忽略二极管压降:

        伏秒积平衡:

        注意输出相对输入是负压,最终为:

        当占空比D>0.5时,Uo>Uin,实现升压。

        当占空比D<0.5时,Uo

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