直流開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

開(kāi)關(guān)電源可分為直流開(kāi)關(guān)電源和交流開(kāi)關(guān)電源，是按輸出來(lái)區(qū)分的，交流開(kāi)關(guān)電源輸出的是交流電，而直流開(kāi)關(guān)電源輸出的是直流電，這里介紹的是直流開(kāi)關(guān)電源。隨著相關(guān)元器件的發(fā)展，直流開(kāi)關(guān)電源以其高效率在很多場(chǎng)合代替線性電源而獲得廣泛應(yīng)用。

直流開(kāi)關(guān)電源與線性電源相比一般成本較高，但在有些特別場(chǎng)合卻更簡(jiǎn)單和便宜，甚至幾乎只能用開(kāi)關(guān)電源，如升壓和極性反轉(zhuǎn)等。直流開(kāi)關(guān)電源還可分為隔離的和不隔離的兩種，隔離的是采用變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入與輸出間的電氣隔離，變壓器還便于實(shí)現(xiàn)多路不同電壓或多路相同電壓的輸出。

直流開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)和分析都有較特別的一套理論和方法，這里主要介紹6種基本的不隔離的直流開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)形式和其特點(diǎn)，便于依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)選擇使用。

理想假定：為便于分析，常假定存在如下理想狀態(tài)

1. 電子器件理想：電子開(kāi)關(guān)管Q和D的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間為零，通態(tài)電壓為零，斷態(tài)漏電流為零

2. 電感和電容均為無(wú)損耗的理想儲(chǔ)能元件，且開(kāi)關(guān)頻率高于LC的諧振頻率

3. 在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，輸入電壓Vin保持不變

4. 在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，輸出電壓有很小的紋波，但可認(rèn)為基本保持不變，其值為Vo

5. 不計(jì)線路阻抗

6. 變換器效率為100%

一、Buck變換器：也稱降壓式變換器，是一種輸出電壓小于輸入電壓的單管不隔離直流變換器。

圖中，Q為開(kāi)關(guān)管，其驅(qū)動(dòng)電壓一般為PWM(Pulse width modulation脈寬調(diào)制)信號(hào)，信號(hào)周期為Ts，則信號(hào)頻率為f=1/Ts，導(dǎo)通時(shí)間為Ton，關(guān)斷時(shí)間為Toff，則周期Ts=Ton+Toff，占空比Dy= Ton/Ts。

Buck變換器有兩種基本工作方式：

CCM(Continuous current mode)：電感電流連續(xù)模式，輸出濾波電感Lf的電流總是大于零

DCM(Discontinuous current mode)：電感電流斷續(xù)模式，在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間有一段時(shí)間Lf的電流為零

1.1 CCM時(shí)的基本關(guān)系：

1.2 DCM時(shí)的基本關(guān)系：

DCM可分為兩種典型情況：

輸入電壓Vin不變，輸出電壓Vo變化，常用作電動(dòng)機(jī)速度控制或充電器對(duì)蓄電池的恒流充電

輸入電壓Vin變化，輸出電壓Vo恒定，即普通開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源

1.3 電感電流臨界連續(xù)的邊界：

1.3.1 輸入電壓恒定不變時(shí)：Vin=const

可畫(huà)出Buck變換器在Vin=const時(shí)的外特性曲線：

圖中虛線為電感電流臨界連續(xù)的邊界，內(nèi)部為電流斷續(xù)區(qū)，外面為電流連續(xù)區(qū)。

理想情況下，在電流斷續(xù)區(qū)輸出電壓僅由占空比Dy確定。實(shí)際電路中，因元器件的非理想化，在電感電流的連續(xù)區(qū)，Buck變換器的外特性也是下降的，即Io加大，Vo降低。為保持Vo不變，在Io增加時(shí)，要適當(dāng)加大占空比Dy。

1.3.2 輸出電壓恒定不變時(shí)：Vo=const

可畫(huà)出Buck變換器在Vo=const時(shí)的標(biāo)幺特性曲線：

圖中虛線為電感電流臨界連續(xù)的邊界，右上方為電流連續(xù)區(qū)，左下為電流斷續(xù)區(qū)。

在電感電流臨界連續(xù)時(shí)，若加大負(fù)載，則進(jìn)入電流連續(xù)工作區(qū)；減小負(fù)載，則進(jìn)入電流斷續(xù)區(qū)。

若負(fù)載不變，減小輸入電壓Vin，為使Vo不變，應(yīng)加大Dy，也進(jìn)入電流連續(xù)區(qū)。

二、Boost變換器：也稱升壓式變換器，是一種輸出電壓高于輸入電壓的單管不隔離直流變換器。

開(kāi)關(guān)管Q也為PWM控制方式，但最大占空比Dy必須限制，不允許在Dy=1的狀態(tài)下工作。電感Lf在輸入側(cè)，稱為升壓電感。Boost變換器也有CCM和DCM兩種工作方式。

2.1 CCM時(shí)的基本關(guān)系：

Q導(dǎo)通時(shí)為電感Lf儲(chǔ)能階段，此時(shí)電源不向負(fù)載提供能量，負(fù)載靠?jī)?chǔ)于電容Cf的能量維持工作；Q關(guān)斷時(shí)，電源和電感共同向負(fù)載供電，此時(shí)還給電容Cf充電。變換器必須接負(fù)載，不然會(huì)因能量不斷送到負(fù)載端而使Vo不斷升高而損壞。