电源技术课件-第6章.ppt

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

26、LLL（1）当负载输出电流）当负载输出电流IOIL(avg)，即满足式，即满足式(6.2.11)时，电感器上的电流始终大于零，时，电感器上的电流始终大于零，Buck电路工作电路工作在在CCM模式。模式。()()(1)2IOL avgO avgSVIIIDD TL（2）电感值大于临界电感值，）电感值大于临界电感值，Buck电路工作在电路工作在CCM模式，即满足模式，即满足min()()(min)(max)(1)(1)222(/)OOOOoffSSO avgO avgOOIVVVVLtD TTIIPVV2()(max)(min)(max)(1)(1)22OOOOSSO avgIOIVVVVTTIV

27、PV（3）负载小于临界负载值，）负载小于临界负载值，Buck电路工作在电路工作在CCM模式，即满足模式，即满足(max)(min)2(1)OLLOSVLRRID T （4）周期小于临界周期值，）周期小于临界周期值，Buck电路工作在电路工作在CCM模式，即满足模式，即满足(min)(max)22(1)(1)OSSILLILTTV DDRD例例6.2.2 现有一现有一Buck型电源变换器，输入电压的波型电源变换器，输入电压的波动范围为动范围为1235V，要求稳定的，要求稳定的5V输出，开关频率等输出，开关频率等于于50KHZ，输出电流范围是，输出电流范围是100mA800 mA。求解：求解：工作

28、在工作在CCM模式下所需的电感量的大小？模式下所需的电感量的大小？解：解：根据式根据式(6.2.12)，Lmin为为min3(min)(max)551(1)(1)42922 0.13550 10OOSOIVVLTuHIV3.Buck结构非连续导通模式稳态分析结构非连续导通模式稳态分析根据以上边界条件分析，如图根据以上边界条件分析，如图6.2.4所示。所示。当输出电流当输出电流IO=IL/2时，处于临界连续导通模式；时，处于临界连续导通模式；当输出电流进一步下降时，进入非连续导通模式。当输出电流进一步下降时，进入非连续导通模式。此时有三种不同的状态：此时有三种不同的状态：导通状态，功率开关导通状

29、态，功率开关Q1导通，二极管导通，二极管D1反偏截反偏截止；止；截止状态，功率开关截止状态，功率开关Q1关闭，二极管关闭，二极管D1正偏导正偏导通；通；空闲状态，功率开关空闲状态，功率开关Q1和二极管和二极管D1均关闭。均关闭。前两个状态和连续导通模式的状态相同，但前两个状态和连续导通模式的状态相同，但toff时时间不相等。三种状态的时间分别为间不相等。三种状态的时间分别为1onStDT2offStD T3idelSonoffStTttD T 图图6.2.5给出了非连续导通模式波形。导通期间电给出了非连续导通模式波形。导通期间电感上电流的增量为感上电流的增量为1()IOIOLonSVVVVIt

30、DTLL 因为非连续导通模式的每个周期，电流都是从零因为非连续导通模式的每个周期，电流都是从零值点开始上升的，纹波电流的幅值同时也是峰值电值点开始上升的，纹波电流的幅值同时也是峰值电流的大小，即流的大小，即()LPKII 关断期间电感上电流的变化量关断期间电感上电流的变化量 2()OOLoffSVVItD TLL 由 可得()()LLII 112onOIIonofftDVVVDDtt输出电流输出电流整理简化公式为整理简化公式为 12()12()22SSPKPKOL avgSDTD TIIIIDDT112()()2OSOIOLVDTIVVDDRL212411OIVVKD式中，式中，K=2L/(R

31、LTS)。非连续导通模式非连续导通模式的输出电压是关于的输出电压是关于输入电压、输入电压、占空比、转换频率和输出负载占空比、转换频率和输出负载的函数；而的函数；而连续导连续导通模式通模式的输出电压仅仅取决于的输出电压仅仅取决于输入电压和占空比输入电压和占空比。4.Buck变换器的效率分析变换器的效率分析 Buck电路的损耗主要是电路的损耗主要是功率开关功率开关Q1损耗和二损耗和二极管极管D1的导通损耗，以及磁性绕组的阻抗损耗的导通损耗，以及磁性绕组的阻抗损耗。在开通和关断瞬间，在开通和关断瞬间，Q1上的开关损耗是有电流和上的开关损耗是有电流和电压交叠产生的。由于电压交叠产生的。由于D1在反向恢

32、复瞬间存在电在反向恢复瞬间存在电流和电压应力，其开关损耗与反向恢复时间有关。流和电压应力，其开关损耗与反向恢复时间有关。电感器电感器L的电流纹波在磁心材料上产生磁滞和涡的电流纹波在磁心材料上产生磁滞和涡流损耗。流损耗。直流损耗直流损耗Pdc 由图由图6.2.3中中IQ1和和IL的波形可知，其电流的平均的波形可知，其电流的平均值为三角波的中线值，即输出直流电流值为三角波的中线值，即输出直流电流IO。在很宽。在很宽的电流范围内，的电流范围内，Q1和和D1的导通压降均为的导通压降均为1V，忽略，忽略二次效应和交流开关损耗时，直流损耗为二次效应和交流开关损耗时，直流损耗为11111offondcQDO

33、OOTTPPPIIITT 此时此时Buck变换器的效率为变换器的效率为11OOOOOdcOOOOPV IVPPV IIV上式表明，输出电压愈低，效率就愈低上式表明，输出电压愈低，效率就愈低。交流损耗交流损耗Pac 图图6.2.7为理想晶体管工作时电压和电流的波形。为理想晶体管工作时电压和电流的波形。01()/6onTonOdconP TIVdtI VT 导通时，电压和电流同时开始，同时结束。当导通时，电压和电流同时开始，同时结束。当Q1的电流从零上升到的电流从零上升到IO时，时，Q1上的电压从最大值上的电压从最大值Vdc下降到零。导通期间平均功率为下降到零。导通期间平均功率为 总的开关损耗为导

34、通损耗和关断损耗之和，设总的开关损耗为导通损耗和关断损耗之和，设Ton=Toff=TSW，则总开关损耗等于导通损耗与关，则总开关损耗等于导通损耗与关断损耗之和断损耗之和Q1关断时，电流下降和电压上升同时开始同时结关断时，电流下降和电压上升同时开始同时结束，关断损耗为束，关断损耗为 01()/6offToffOdcoffP TIVdtI VT()()/3aconoffOdcswPP TP TI V TT此时此时Buck变换器的效率为变换器的效率为 1/31/3OOOOOdcacOOOOdcswOdcswPV IVPPPV III V TTVV TT 最恶劣情况的晶体管波形最恶劣情况的晶体管波形

35、Buck变换器的效率为变换器的效率为12/12/OOOOOtOOOOdcswOdcswPV IVPPV III V TTVV TT 上式表明，效率与开关频率相关，频率愈高，上式表明，效率与开关频率相关，频率愈高，T愈愈小，效率就愈低。这种现象用晶体管做开关管时相小，效率就愈低。这种现象用晶体管做开关管时相当明显，要求其开关频率小于当明显，要求其开关频率小于50KHz。如用。如用MOSFET管做开关管，由于其管做开关管，由于其RDS很小，很小，这种电压和这种电压和电流的重叠不明显电流的重叠不明显，因此其开关频率可以达到几百，因此其开关频率可以达到几百KHz。例例6.2.4 Buck变换器的参数为

36、：输入电压变换器的参数为：输入电压48V，输出电压输出电压5V，开关频率为，开关频率为50KHz（T=20us），），开关时间开关时间Tsw为为0.3us。计算：。计算：分别在不考虑交流开关损耗、理想情况下的开关分别在不考虑交流开关损耗、理想情况下的开关损耗和恶劣情况下的开关损耗三种模式下的效损耗和恶劣情况下的开关损耗三种模式下的效率？率？解：（解：（1）不考虑交流不考虑交流开关损耗时，由式开关损耗时，由式(6.2.26)得得583.3%15 1OOVV（2）考虑理想情况下考虑理想情况下的开关损耗，由式的开关损耗，由式(6.2.30)得得580.1%1/35 148 0.3/(3 20)OOd

37、cswVVV TT （3）考虑恶劣情况下的开关损耗，由式）考虑恶劣情况下的开关损耗，由式(6.2.35)得得567.2%12/5 1248 0.3/20OOOtOdcswPVPPVV TT 5.元器件选择元器件选择 输出电容器输出电容器 在开关电源电路中，输出电容的作用是储存能量。在开关电源电路中，输出电容的作用是储存能量。电容的容量大小取决了纹波电压大小的参数需求。由电容的容量大小取决了纹波电压大小的参数需求。由于输出纹波电流是由电感器决定的，输出纹波电压取于输出纹波电流是由电感器决定的，输出纹波电压取决于电容器上的串联等效电阻决于电容器上的串联等效电阻ESR、等效串联电感、等效串联电感ES

38、L和电容和电容C，主要是，主要是ESR。DCM模式下输出电容的取值范围为模式下输出电容的取值范围为CCM模式下输出电容的取值范围为模式下输出电容的取值范围为()8pk switchSOICfV(max)2(max)(1)OOLSOIIICfV输出电容的等效串联电阻输出电容的等效串联电阻OLVESRI 输出电感器输出电感器 在开关电源电路中，电感器的作用是维持一个恒在开关电源电路中，电感器的作用是维持一个恒定的电流或者是限制电流的波动量。电感量的大小定的电流或者是限制电流的波动量。电感量的大小取决于峰值电流的大小，也决定了纹波电流的大小。取决于峰值电流的大小，也决定了纹波电流的大小。纹波电流的大

39、小与电感量成反比。电感量的计算式纹波电流的大小与电感量成反比。电感量的计算式由式由式(6.2.12)决定。决定。功率开关管功率开关管 在开关电源电路中，功率开关管的作用是连接或关在开关电源电路中，功率开关管的作用是连接或关断输入输出电路，控制输入电源至输出电源的能量转断输入输出电路，控制输入电源至输出电源的能量转换。功率开关在中小功率应用时，常选用晶体管和换。功率开关在中小功率应用时，常选用晶体管和MOSFET管；大功率开关电路中采用绝缘栅双极晶体管；大功率开关电路中采用绝缘栅双极晶体管（管（IGBT）。）。三种功率开关管图形符号及实物如图三种功率开关管图形符号及实物如图6.2.9所示所示 在

40、开关电源发展过程中，早期用晶体管；近来随着在开关电源发展过程中，早期用晶体管；近来随着MOSFET管技术加速发展，且管技术加速发展，且MOSFET管开关性能管开关性能明显优于晶体管。用明显优于晶体管。用MOSFET管取代晶体管，其主要管取代晶体管，其主要特点有：驱动电路比晶体管简单得多；晶体管特点有：驱动电路比晶体管简单得多；晶体管值差值差异较大，一致性差；在关断时过程中，异较大，一致性差；在关断时过程中，MOSFET管电管电流下降速度很快，下降电流和上升电压发生重叠面积流下降速度很快，下降电流和上升电压发生重叠面积小，从而可减小交流开关损耗。小，从而可减小交流开关损耗。MOSFET的选型需要

41、考虑技术参数的选型需要考虑技术参数 漏源导通电阻漏源导通电阻RDS(on)最大漏源击穿电压最大漏源击穿电压VDSS 最大漏极电流最大漏极电流IDM 最大功耗最大功耗PD(4)开关频率的选择开关频率的选择 一般而言，开关频率的增加，一般而言，开关频率的增加，Buck变换器的变换器的总体积减小，开关损耗相应增加，需要更严格的总体积减小，开关损耗相应增加，需要更严格的高频布线和元件选型，最终应选择适中的开关频高频布线和元件选型，最终应选择适中的开关频率。目前，选择率。目前，选择低于低于100KHz的开关频率比较理的开关频率比较理想想，因为元器件的选择、布线和变压器、电感设，因为元器件的选择、布线和变

42、压器、电感设计的要求不是很高，耗费的成本较低。计的要求不是很高，耗费的成本较低。6.2.2 Buck应用电路应用电路 图图6.2.10是一个基于是一个基于MC34063的车载充电器电的车载充电器电路，是路，是Buck拓扑结构的典型应用。拓扑结构的典型应用。MC34063内部结构框图内部结构框图 由美国摩托罗拉公司研发生产的。片内包括开由美国摩托罗拉公司研发生产的。片内包括开关晶体管、振荡器、误差放大器和带温度补偿关晶体管、振荡器、误差放大器和带温度补偿带隙基准源。它在一块芯片上集成了全部必要带隙基准源。它在一块芯片上集成了全部必要的功能，结构十分简单，专用于非隔离式、小的功能，结构十分简单，专

43、用于非隔离式、小功率、功率、DC-DC变换器。能在变换器。能在340V的输入电压的输入电压下工作，具有短路电流限制保护、较低的静态下工作，具有短路电流限制保护、较低的静态工作电流、输出电流能力强（可达工作电流、输出电流能力强（可达1.5A）、输）、输出电压可调、工作频率调节范围宽出电压可调、工作频率调节范围宽（24KHz42KHz）等特点。）等特点。电路性能特点：电路性能特点：6.3 升压型（升压型（Boost）变换器）变换器 Boost变换器是一种典型的非隔离型升压变换器是一种典型的非隔离型升压型电源变换器。根据电感上电流的连续性，型电源变换器。根据电感上电流的连续性，输入端电流是连续的输入

44、端电流是连续的或是非脉冲型的。或是非脉冲型的。输出输出电流是非连续的电流是非连续的或是脉冲型的。在功率开关或是脉冲型的。在功率开关导通期间，输出电容器为负载提供电流。导通期间，输出电容器为负载提供电流。6.3.1 Boost工作原理工作原理 如图如图6.3.1为包含驱动电路的为包含驱动电路的Boost变换器的拓扑结变换器的拓扑结构图。开关元件由一个构图。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二极管D1组成；电感器在开关元件的前端，电容器组成；电感器在开关元件的前端，电容器在负载输出端。在负载输出端。当当Q1导通时导通时，由输入电压，由输入电压VI对电感器对电感器L充

45、电储充电储能，电感器上的电流线性上升，此时二极管能，电感器上的电流线性上升，此时二极管D1反向偏置而截止，由输出电容器反向偏置而截止，由输出电容器C供电至负载；供电至负载；当当Q1截止时截止时，由于电感器，由于电感器L上的电流不能突变，上的电流不能突变，电流会继续流过电感器电流会继续流过电感器L，产生的感应电动势方，产生的感应电动势方向为左负右正，使得二极管向为左负右正，使得二极管D1正偏导通，输入正偏导通，输入电源与电感器电源与电感器L一起向输出电容器一起向输出电容器C充电，并为充电，并为负载供流。负载供流。电路原理：电路原理：Boost变换器有变换器有CCM和和DCM两种不同的工作模式。两

46、种不同的工作模式。1.Boost结构连续导通模式稳态分析结构连续导通模式稳态分析 （a）导通状态）导通状态 （b）截止状态）截止状态 图图6.3.2 Boost变换器两种等效电路变换器两种等效电路 导通持续时间导通持续时间ton=DTS；截止持续时间；截止持续时间toff=(1-D)TS。在在Q1导通期间导通期间，Q1等效为一个低值的等等效为一个低值的等效导通电阻效导通电阻RDS(on)，漏、源之间的压降，漏、源之间的压降VDS=IL RDS(on)。VI-VDS的压降加到电感器上，的压降加到电感器上，C点的点的电位大小为电位大小为VDS，此时二极管，此时二极管D1由于反向偏置而由于反向偏置而

47、截止，电容器给负载供电。电流流向从输入电源截止，电容器给负载供电。电流流向从输入电源经电感器、经电感器、Q1向地端流动。此时，电感器向地端流动。此时，电感器L的压的压降是恒压为降是恒压为VI-VDS，流经电感器的电流从初始值，流经电感器的电流从初始值线性增加。由线性增加。由VL=LdiL/dt，得，得()=IDSLonVVItL 在在Q1截止期间截止期间，电感器上的电流不能通过，电感器上的电流不能通过Q1直接流回地。电感器电流下降使得电感器上的直接流回地。电感器电流下降使得电感器上的电压极性反转，电压极性反转，C点的电位迅速升高使得点的电位迅速升高使得D1导导通，电感器左端的电位是通，电感器左

48、端的电位是VI，电感器右端的电位，电感器右端的电位是是VO，电感器上的电位为，电感器上的电位为VO-VI。此时输入电源。此时输入电源电压和电感器电压和电感器L共同为负载提供能量，故回路电共同为负载提供能量，故回路电流即电感器流即电感器L上的电流呈线性降低。上的电流呈线性降低。IL(-)等于电感器上的纹波电流等于电感器上的纹波电流。()=OdILoffVVVItL 在稳态工作条件下，在稳态工作条件下，根据电感器电流不能突变原根据电感器电流不能突变原则，则，Q1导通期间电感器上电流变化量导通期间电感器上电流变化量IL(+)等于等于Q1截止期间电感器上电流变化量截止期间电感器上电流变化量IL(-)。

49、于是可得。于是可得Boost变换器在变换器在CCM工作模式下的直流输出的表达工作模式下的直流输出的表达式式由于由于TS=ton+toff，占空比，占空比D=ton/TS，(1-D)=toff/TS=(1)ononOIdDSoffoffttVVVVtt=11IOdDSVDVVVDD 在工程应用中，由于在工程应用中，由于Q1的导通压降的导通压降VDS和二极管和二极管的正向导通压降的正向导通压降Vd数值很小，常加以忽略，则输数值很小，常加以忽略，则输出电压为出电压为=1IOVVDBoost转换器在电感连续导通模式下的波形转换器在电感连续导通模式下的波形 可以这样定性的分析，电路工作过程中，电感可以这

50、样定性的分析，电路工作过程中，电感器充当储能元件，器充当储能元件，Q1导通时导通时L储能，储能，Q1截止时截止时L和输入电源同时向负载和输出电容滤波器释放和输入电源同时向负载和输出电容滤波器释放能量。与能量。与Buck变换器不同，变换器不同，Boost变换器中电变换器中电感器上的平均电流并不等于输出电流，而是等感器上的平均电流并不等于输出电流，而是等于输入电流。于输入电流。=IOIIOOPPU IU I()(1)(1)IOIIL avgOUIID ID IU2.Boost结构结构CCM/DCM边界条件分析边界条件分析 当电感电流平均值跟随负载电流下降时，电感当电感电流平均值跟随负载电流下降时，