開關(guān)電源中功率變換器拓?fù)洹⒎治雠c設(shè)計(jì)

為了方便各位工程師的學(xué)習(xí)，可以掃描下方 掃 小功率開關(guān)功率變換器拓2014年041第一單元DC-DC功率變換DC-DCDC-DCDC-DC121：電源是什 --- 32：開關(guān)電源是電源中的一種，但是最有前途的電源，原因是 43：電源產(chǎn)品的種類53：開關(guān)電源的分類 筆記本電腦的Adapter------計(jì)算機(jī)內(nèi)部的SilverBox和------復(fù)印機(jī)、傳真機(jī) 6（3）：------ POL（PointofLoad）變換器VRM和---SIP和DIP 7A：一次電源產(chǎn)品 FPSSeriesofTHSeriesof8B：工業(yè)電源產(chǎn)品 —標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品CPCISeriesof9C：工業(yè)電源產(chǎn)品 HWSSeriesofD：工業(yè)電源產(chǎn)品 DTSeriesofKWSeriesofE：工業(yè)電源產(chǎn)品 F：二次電源產(chǎn)品 （DC/DC）--標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)Full Half Half1/41/8G：二次電源產(chǎn)品 4：開關(guān)電源的組成DC-DC1：電源的高功率密度要求是開關(guān)型功率變換技術(shù)產(chǎn)生的直接--- ------因而開關(guān)型電源的主電路只能是電子開關(guān)和電抗性元件組成的高頻開2：DC-DC功率變換器的

dton--- 3：穩(wěn)壓的基本原VoM(D,R,K其中：DTon R KK(L,fs fs 這個(gè)原理是實(shí)現(xiàn)各類開關(guān)電源產(chǎn)品輸出穩(wěn)壓的基礎(chǔ)，下面從不源產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)框圖，來4：AC/DC開關(guān)型穩(wěn)壓電源的一般

dton

它直接將交流電網(wǎng)用二極管橋進(jìn)行全波整流，再用一個(gè)大的輸入電容將其濾波成含有2倍網(wǎng)頻分量的

dton

化為BOOST變換器）。所以包含PFC的AC/DC開關(guān)電源的 5：DC/DC開關(guān)型穩(wěn)壓電源的一般

dton AC/DC這種方案的DC/DC采用二次電源模塊（標(biāo)準(zhǔn)DC/DC開關(guān)電源為主，如半磚、1/4磚和1/8磚）實(shí)現(xiàn)。6：其它開關(guān)型功率變換產(chǎn)品 也是DC-DC變換 面的分析，這種方式構(gòu)成的變頻器，其功率變換電路依然是DC/DC功率變換器。DC-DC1：DC-DC功率變換可以追溯到上世紀(jì)50---2：DC-DC功率變換技術(shù)的歷史發(fā)每個(gè)階段的研究并不是孤立的，而是相互交叉、相互滲透的DC-DCDC-DC功率變換的研究?jī)?nèi)DC-基本DC-DC功率變換器拓從基本DC/DC功率變換器衍生的DC/DC功率變換器拓DC/DC功率變換器的拓?fù)渚C合技中大功率DC/DC功率變換器的軟開關(guān)技DC/DC變換器的并DC/DC變換器的串DC/DC變換器的級(jí)聯(lián)技術(shù)，等DC-電流型控制技術(shù)（峰值電流控制，平均電流控制，CCM/DCM控制V平方控制技DC-DC-DC/DC的穩(wěn)態(tài)分析、設(shè)計(jì)與DC/DC的動(dòng)態(tài)小信號(hào)分析、設(shè)計(jì)與DC/DC的動(dòng)態(tài)大信號(hào)分析、設(shè)計(jì)與優(yōu)化，等第二單元DC-DCBuckBoostBuckboost變換1何為基本DC-DC功率變

dton由上圖可知，當(dāng)輸入和輸出不需要時(shí)，一個(gè)最基本的DC-DC功率變換器，其組成只能有也必須）變換器，Boost（升壓式）變換器和Buckboost（升降式）變換種獲得DC-DC功率變換器在CCM下的穩(wěn)態(tài)關(guān)系的簡(jiǎn)單方法電感電壓的伏秒平衡定律。2電感電壓的伏對(duì)于已工作在穩(wěn)態(tài)的DC-DC功率變換器，有源開關(guān)導(dǎo)通時(shí)加在濾波電感上的正向伏秒一定等有源開關(guān)截止時(shí)加在電感上的反向伏秒因?yàn)?/p>

DTDTTttt

L L dIL

0tT

VL(t

ont

L10，VL2

VL2t2 L

L穩(wěn)態(tài)時(shí)，必有 否則的話，電感電流會(huì)朝一個(gè)方向增加而使電感飽和，并致電路工作不正常所以

L

VL2L所以 VL2穩(wěn)態(tài)時(shí)電感上的伏秒定律證明完畢341：Buck變換器的穩(wěn)態(tài)電壓

R

Vo Dton0D2：Buck變換器的--輸出電壓低于輸入電壓 --功率級(jí)的小信號(hào)特性非常優(yōu)越

正向(VgVo)DTs反向伏秒：Vo(1所以：(VgVo)DTsVo(1有下列輸入/輸出穩(wěn)態(tài)關(guān)Vo53：Buck變換器的穩(wěn)態(tài)關(guān)系

MVoDMVo

VoMVgILIo 14K 14K/KR

Rg M4：Buck變換器用于補(bǔ)償器設(shè)計(jì)的小信號(hào)傳遞函數(shù)1s1sQo1s1sQos2g0,iog0,io是所有DC-DC變換器中最簡(jiǎn)單的、也是最容易補(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)65：Buck變換器 #3 76：Buck變換 的特征---是電力電子中最龐大 --- 成員是開關(guān)電源產(chǎn)品中用得最多的成員---在產(chǎn)品中用得最多的成員是--三繞組去磁單正激變換器--二極管去磁雙正激變換器--諧振去磁單正激變換器--有源去磁單正激變換器--相移控制全橋變換器--不對(duì)稱控制半橋變換器--對(duì)稱驅(qū)動(dòng)半橋變換器--對(duì)稱驅(qū)動(dòng)全橋變換器--對(duì)稱驅(qū)動(dòng)推挽變換器87：Buck變換器本--多輸出開關(guān)電源中輔路的后調(diào)變換器；等9Boost變換1：Boost變換器的穩(wěn)態(tài)電壓增益 S

Vo

1

Dton0D2：Boost變換器的特征 --功率級(jí)的小信號(hào)較差

正向伏秒：VgDTs反向(VoVg)(1所以gDTsVoVg)(1有下列輸入/輸出穩(wěn)態(tài)關(guān)系Vo

13：Boost變換器的穩(wěn)態(tài)關(guān)系總結(jié)

MVo 1

Vo14D2/14D2/

M

2

IgKR

Rg M4：Boost變換器用于補(bǔ)償器設(shè)計(jì)的小信號(hào)傳遞函數(shù)Gvd(s)?o?

Vg（1ssg0,ioD21sQosg0,io比Buck變換器要難補(bǔ)償，因?yàn)橛杏野肫矫媪泓c(diǎn)5：Boost變換器 #2單開 #2

6：Boost變換 的特征--是電力電子中研究最少 --其它成員很少使用，因而對(duì) 的研究也非常少 1：Buckboost變換器的穩(wěn)態(tài)電壓增益D L

Io

Vo

D1

Dton0D2：Buckboost變換器的特征入電壓、且與輸入電壓反向--輸入電流斷續(xù)--輸出電流斷續(xù)

正向伏秒：VgDTs反向伏秒：Vo(1所以VgDTsVo(1有下列輸入/輸出穩(wěn)態(tài)關(guān)系Vo 13：Buckboost變換器的穩(wěn)態(tài)關(guān)系總結(jié)

MVo 1KMVoK

VoIL(1MIgKR

Rg M4：Buckboost變換器用于補(bǔ)償器設(shè)計(jì)的小信號(hào)傳遞函數(shù)Gvd(s)?o?

Vg（1ssg0,ioD21sQosg0,io比Buck變換器要難補(bǔ)償，因?yàn)橛杏野肫矫媪泓c(diǎn)5：Buckboost變換6:Buckboost變換 的特征--是電力電子中研究較少 2：其它變換器多為上述基本變換器的子電--它們都是以基本變換器為基礎(chǔ)，因

其始租為Boost變換器

BoostBoost

Cuk變換器**Sepic變換器**就是對(duì)該中有

第三換器的拓?fù)浣Y(jié)RCD反激DC-DC變換器總121：原理CS CS

R32:基本反激變換器不能工作的

IoRS 版本-- Buckboost變換器感，所以基本反激變換器是不能工作的，原因見下面4 i

N S

Io --每一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，開關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，二極管D截止，激磁電感Lm和漏感Lp被充電，能量，在開關(guān)S截止、二極管D導(dǎo)通時(shí)，激磁電感上儲(chǔ)5 iS

N

Io

vgLstt情況A：特性阻

Lp/Lp/時(shí)，可能會(huì)使開關(guān)S過t6 Vo

Io

為：VDSS600V RDS(on)1.2 ID6.2A Coss160pF為滿足器件上的穩(wěn)態(tài)電壓，選變壓器的匝比VDS（穩(wěn)態(tài)）VgNVo 40/12

可得穩(wěn)態(tài)工作占空比：D所以原邊激磁電感上的峰值電流為im1(1 (1 12.5(1如變壓器的漏感為：Lp 則開關(guān)S上的峰值電壓VDS（峰值）VgNVo

Lpim1642V

將因過壓而損壞7 i

N

Io

vgLstS

tLp/Lp/時(shí)，可減小S上的電 t8例子同 則開關(guān)S上的峰值電壓VDS（峰值）VgNVo

Lpim1586V

開關(guān)S可滿足電壓要求須外加一個(gè)吸收電路，來減小開關(guān)S上的尖峰電壓如變壓器的漏感仍為：Lp1uH，而在開關(guān)S兩端外并一個(gè)電容使等效電容為：Coss1056 則開關(guān)S上的峰值電壓VDS（峰值）VgNVo

Lpim1

開關(guān)S可滿足電壓要求Pon(cap)1CossVds2fs2

所以僅并大電容也不是解決辦9 i

N S

IoR--吸收電路的損耗盡量小--吸收電路越簡(jiǎn)單越好1：原理SS

2:工作原理,特征與應(yīng)Vg

vg2v

t外加一個(gè)第三繞組Nc和二極管 當(dāng)：NcNp時(shí)，Dmax--三繞組吸收電路在基本反激變換器上增加了一條吸收支路，該吸收支關(guān)Ｓ斷開瞬間所引起的電壓尖峰，一NcNp且和原邊雙股并繞

i im

R

vg2vt考慮變壓器的漏感和開關(guān)S的寄生電容后，支路箝位到2Vg。

tVo

N(1D)D

(0D

Vg

i im

RIg

Im

其中：N NcNc=

--

Vg

i im

伏秒平衡方程：--多用在小功率的AC/DC和DC/DC--RCD1：原

S

IoRNNCSR2:工作原理,特征與應(yīng)

vgvgvm m Dc LpS

t外加RcCc、

--吸收電路與激磁電感、漏感、開關(guān)S構(gòu)成一個(gè)Buckboost電路（如下頁--如設(shè)計(jì)參數(shù)保證：（1）：吸收電容上的電壓紋波很?。?）：吸收電容的電壓大于NVo--上述條件下的波形如右上方，吸收電路的參數(shù)設(shè)計(jì)可由實(shí)驗(yàn)確

SVg

LpVgLPLm(ViRc

TsiDc(t)dtim1

1 1V

VgcNVot1Vc

Lp

Lpt1t

Vgto VcVcNVo sVc(VcNVo) s

MOSFET結(jié)電容忽略下的波Vo

CimSVcimSIg Im

其中：N D

imSCVg=Vgmin, -

- 伏秒平衡方程：--多用在小功率的AC/DC和DC/DC--1：原理

IoCS

Vg

N CN CSR有源吸收反激變換Vg

IoNN CSLCD吸收反激變換這兩種吸收的反激變換器，因應(yīng)用不多，不再展開1：原理 2:工作原理,特征與應(yīng)

vv

Npi

vds1vds

22vgDc

Coss

采管后，可以提高變換器的效率，從而輸出更大的功率。圖中用兩個(gè)二VoIg

N(1D)

(0D

Np

Im

Dc

i Coss其中：N Nc=

--

Np

Dc

i

oss

伏秒平衡方程：--反激DC-DC小于RCD吸收單反大于般小于大于般小于LCD吸收單反大于般小于般第四單元反激變換器的反激變換器在CCM反激變換器的CCM/DCM邊界確反激變換器在DCM11：反激變2

R Rc S--負(fù)載用純電阻表示--一般 調(diào)試時(shí)經(jīng)常用3：CS

--負(fù)載用電流源表示--多數(shù)恒壓輸出的開關(guān)電源可用這種負(fù)載模擬4DCS

--負(fù)載用電壓源表示--多數(shù)恒流輸出的開關(guān)電源可用這種負(fù)載模擬52：反激變換器在CCM下的穩(wěn)態(tài)分6-1DCSR7SStIo/[N(1-8 S

CMode1[t0-C CRMode2[t1-

模式[1]：儲(chǔ)能模式[t0-模式[2]：傳能模式[t1-9VgDTsNVo(1VoIm

其中MVo 為穩(wěn)態(tài)電壓增益g N(1gNIgRg

M

3：反激變換器的CCM/DCM邊界確CCMCCMddDCSRCCM：Im1Im22

Imp為激磁電感電流的峰ddd* d*ddd* d*CCM/DCM邊界有：Im1Im2

ddd*

d*StSt ids- Imp

ImLmL

1

IgT

ids(t)dt

TsDs 1

NVgD(1Io id(t)dt TsN(1D)

3-3：CCM/DCM邊界條件的推

St St ids-

ImLmL

T1TIg ids(t)dts

TsD1 NVgD(1IoT

id(t)dt s N(1D)VgDTsNVo(1Vo

Ig

Im

3-3：CCM/DCM邊界條件的推

IoNVgD(1D)Ts St St ids-V

o N（1所以CCM/DCM邊界條件KN21D2 2D2

N R其中：KR

對(duì)應(yīng)工作點(diǎn)下的變換器效率：CCM/DCMKNN

KN2LN2(1

即：KK

msNR或：RN

如：KNKN2(1D)2KN2(1D)2KN2(1D)2

為為CCM/DCM邊：CCM/DCM邊界條件在電流DCS

CCM/DCMCCM/DCMVg

N

dVg

------A-1：CCM/DCM邊界條件一般電流型負(fù)載，輸出電壓穩(wěn)壓

電流型負(fù)載

CCM/DCMK21D2FK

D 1VgK2LmfsIoL

F(Vg,Vo)N

N(1NVo/Vg)

(1NVo/Vg從上述方程可以推導(dǎo)出圖中的CCM/DCM邊界方程為

C

Vg

dVg

(

S：CCM/DCM邊界條件方程推 電流型負(fù)載K N2Vg(VgNVo)N2VgK

(VgNVo)

CCM/DCMN2Vg2V 2NVoVgNKN

1)Vg22NVoVgN2Vo2K

N 4N4Vob24ac(2NVo)2K

1)N2Vo2KVg

b b2o 2No

N N KNVo NVo

N2N K

N2K

NK)(

( ( 1) ：CCM/DCM邊界條件方程推 電流型負(fù)載 因?yàn)?/p>

dVg

( K

又因?yàn)?/p>

(

( K

(2

)

因?yàn)镵21所以KNKdK2Lmfs 所以

dVg

CCM/DCM因在邊界線上有K21

K121

1K D這是因?yàn)?K1 D1

1Vg所以在邊界線右邊區(qū)間的工作點(diǎn)為CCM，在邊界線左邊區(qū)間的工作點(diǎn)為DCMA-3：CCM/DCM邊界條 電流型負(fù)載

CCM/DCM邊

CCM/DCM邊

：CCM/DCM邊界條件在電壓負(fù)載下的示意圖Dmax S

C

CCM/DCM邊CCM/DCM邊Vg

dVg

------A-1：CCM/DCM邊界條件一般電壓型負(fù)載，輸出電流穩(wěn)流K21D2FK

電壓型負(fù)載

CCM/DCM邊 F N

D1VgK2LmfsIo

g,VoL) (1NVoL/VgN

(1NVoL/Vg從上述方程可以推導(dǎo)出圖中的CCM/DCM邊界方程為

L

D

C

Vg

(

dVg

S：CCM/DCM邊界條件方程推 電壓型負(fù)載K N2VgN2Vg2(V

gNVoL)N2Vg 2NVoLVgNK2( 2K

2

N

o2LN 4N4Vb24ac(2NVoL)2K

1)N

oL2 KVg

b b2oL 2NoL

N N KNVoL NVoL

N2N K

N2K

NK)(

( ( 1) ：CCM/DCM邊界條件方程推 電壓型負(fù)載 因?yàn)?/p>

dVg

( K

N( 1)

d( K d(N d(N

又因?yàn)椋?/p>

3 [N( 2 V3

因?yàn)镵21

2 2

如 DN所以

N(

K N NKdVg

N

N 22所以

A-2：CCM/DCM邊界區(qū)間分 電壓型負(fù)載K21

CCM/DCM邊 K121

1K D這是因?yàn)镵1

D1

1Vg所以在邊界線右邊區(qū)間的工作點(diǎn)為DCM，在邊界線左邊區(qū)間的工作點(diǎn)為CCMA-3：CCM/DCM邊界條 電壓型負(fù)載

Dmax

CCM/DCM

CCM/DCM邊

3-5：CCM/DCMVo

MVoV

為穩(wěn)態(tài)電壓增益Im

N(1Nd

IgRg

M

Imp2與CCM下的穩(wěn)態(tài)關(guān)系完全一致4：反激變換器在DCM：DCM下的典型波形StStidsDCSR：DCM穩(wěn)態(tài)關(guān)系的推S

gImpVg Img

D(D

1

IgT

ids(t)dt s1

NV gIo id(t)dt g

Ts VgDTs MVo

DKDK

DVg ids

、 的表達(dá)式IgImMIoN：DCMVo Ig

MVoKR

KNKImMIoRg MDCMCCM11：DCM反激在電流負(fù)載下的功率級(jí)設(shè)2DCS

Vg--輸入電壓范圍：VgVgmin~Vg IoL

--功率級(jí)滿載效率

1（低限）， IoL 3第一步：設(shè)計(jì)變壓器：根據(jù)主管

V

VgN

Lm

N2(1D

R其中Rmin

IoLmax

Dmax 411DWaAc

Po

Dmax]1063其中：PomaxVoIoL 3BmBmax 為最大工作磁密J為繞組的電流密度（A/ ） 為鐵芯的窗口系數(shù)（0.4）fs為開關(guān)頻率（Hz）Wa為鐵芯的窗口面積（ ）Ac為鐵芯的截面積（ ）5變壓器面積積公式的推導(dǎo)過vp(t) dTdTBLmim(t)Np(t)AcLmim(peak)108 2IoLN(1D

B(t

dT

2IoLN(1t

BHLm

N2(1Dmax)21

R

BVo(1Dmax)108NsBmax6變壓器面積積公式的推導(dǎo)過I I

Np

J

vp(t)I

DmaxIoL

I

IoLpri(

N(1D

sec(rms 1

dTdT

2Ioip2Io

dT2IodT1N(1DN(1DWa

Ns DmaxIoLmax IoL 3 1D 1DWaAc

Po 1Dmax

7(WaAc)鐵芯W(wǎng)aAc)NsVo(1Dmax)AcBmaxNpN

0Np2 0Ns2Ac21g (1Dmax)2R其中：04109H8IIpriII

DmaxIoL3N3N(1D IoL 1Dr(single)75 S(single)r2(sinInpns

pri(rmsJS(sinIIJS(sin9ppB(t2IoN(1dBdTvBm

Vo(1D

108BmaxBm--驗(yàn)算鐵芯的窗口系數(shù) --計(jì)算變壓器的鐵損 2IoLN(1D2IoLN(1Dtt

IVV

NVoVg

DIDI N(1 N(1D

IoL第三步：確定副邊功率二極

IdVV

VgmaxN

IId

IoL2IoL 2IoL IoLtt第四步：設(shè)計(jì)輸出濾波電

IoLIoLtcCttVVc(peak

電容的電 CCminDmaxIoLRcRcmax(1D2IoL為滿足ESRESR ，所需的電容C幾百個(gè)Cmin并所以輸出電壓的紋波主要由電容的ESR決定DCS

--輸入電壓范圍：VgVgmin~Vg IoL

（低限），2（高限第一步：設(shè)計(jì)變壓器：根據(jù)主管

V

VgN

Lm

N2(1D1

R其中Rmin

Dmax

11Vgmin/LWaAcPo

Dmax]F(L)1061D1D其中：PomaxVoIoL BmBmax 為最大工作磁密J為繞組的電流密度（A/ ） 為鐵芯的窗口系數(shù)（0.4）fs為開關(guān)頻率（Hz）Wa為鐵芯的窗口面積（ ）Ac為鐵芯的截面積（ ）F(L)1L/變壓器面積積公式的推導(dǎo)過Lmim(t)Np(t)

vp(t)sd BB(tB11

BHAc

Lmim(peak)108

ip(t

im(Nim(其中

m(peak)(1)2LmAcDVgF()108NpBmax

BVo(1Dmin)108

變壓器面積積公式的推導(dǎo)過

N(1DVgN(1Ac(1D)VoF(108(cmNsBAc(1Dmax)VoF(L)108(cm)NsBmax1F(L1L

LIm（低限滿載

Dmax

IoL1

Rmin

IoLmax11Vgmi