直流变直流电路(DC Converter)及斩波电路(DC Chopper)

2024-12-22

DC/DC转换器是开关电源芯片,指利用电容、电感的储能的特性,通过可控开关(MOSFET等)进行高频开关的动作,将输入的电能储存在电容(感)里,当开关断开时,电能再释放给负载,提供能量。其输出的功率或电压的能力与占空比(由开关导通时间与整个开关的周期的比值)有关。开关电源可以用于升压和降压。常用的DC-DC产品有两种。一种为电荷泵(Charge
Pump),一种为电感储能DC-DC转换器。本文详细讲解了这两种DC/DC产品的相关知识。DC/DC
转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。DC/DC 转换器分为三类:升压型DC/DC 转换器、降压型DC/DC 转换器以及升降压型DC/DC
转换器。

直流变直流电路(DC-DC Converter),也叫斩波电路(DC Chopper)。
能将一种直流电源变换成另一种具有不同输出特性的直流电源的电路,是开关电源的核心。 跟交交变换一样,直流变直流也分为直接直流变流电路和间接直流变流电路。
我们一般按照电路拓扑的不同,将其分为不带隔离变压器的和带隔离变压器的DC-DC变换器。 分类如下:

不带隔离变压器的:降压(Buck)变换器、升压(Boost)变换器、升降压(Buck-Boost)变换器和丘克(Cuk)变换器等。

带隔离变压器的:反激式(Flyback)变换器、正激式(Forward)变换器、推挽式(Push-Pull)变换器和桥式(Bridge)等。

其中,Buck电路和Boost电路是DC-DC变换器最基本的两种拓扑形式。
DC-DC变换器的主要功能是变换直流电压等级,隔离变压器则根据实际情况进行选取,其基本作用是输入输出之间的隔离,也可以进行变压用。
无论哪一种DC-DC变换器,主回路使用的元器件都是功率半导体、电感、电容。 目前使用的开关器件主要有MOSFET、IGBT以及二极管等。
电感和电容则是存储和传递电能的元件。

DC-DC变换器的基本手段是通过控制开关器件的通断,使带有滤波器的负载和直流电源一会儿接通,一会儿断开,从而在负载上得到另一个等级的电压。

其具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、电路形式多样等优点,在信息、航天、家电、军事、交通等各个领域得到普遍应用。
可以说DC-DC变换器无处不在了。

接下来,我们就一起慢慢地聊一聊DC-DC的那些事儿~

2降压(Buck)

降压电路,顾名思义,就是将一个原本比较高的电压转换成电压较低的电路,即输出电压小于等于输入电压的单管非隔离直流变换电路。

基本电路拓扑如下:



直流变直流电路(DC Converter)及斩波电路(DC Chopper) (https://www.qianyan.tech/) 头条 第1张

Buck电路的主电路是由开关管T、二极管D、输出滤波电感L和输出滤波电容C构成的,电源是电压源性质,负载则为电流源性质。

为了便于我们分析,这里我们设定了几个前提:

①开关管、二极管均认为是理想器件,即在导通时没有导通压降,截止时没有漏电流(当然,实际情况中,有必要考虑这些因素的);

②电感、电容也认为是理想器件。电感工作在线性区并且未饱和,寄生电阻为零,电容的等效串联电阻(ESR)也为零;

③输出电压中的纹波电压和输出电压的比值很小,可以忽略。

首先,我们定义一个比较重要的参数,占空比。即开关管导通时间ton和开关周期Ts的比值,用Dc表示。

Dc=ton/Ts

根据电感电流是否连续,Buck变换器有三种工作模式——连续导电模式(CCM)、不连续导电模式(DCM)和临界状态(BCM)。电感电流连续是指输出滤波电感L的电流总大于零,电感电流断续是指在开关管关断期间有一段时间流过电感的电流为零。在这两种工作模式之间便是电感电流临界连续状态,即在开关管关断期末,滤波电感的电流刚好降为零。

Buck变换器连续导电模式

(1)



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当开关管T导通时,续流二极管反向偏置截止,电容开始重电,直流电压源Us通过电感L向负载传递能量。此时,电感电流iL线性增长,存储的磁场能量也逐步增加。负载R流过电流Io,两端输出电压Uo上正下负。在一个开关周期Ts内开关管T导通的时间为ton。

(2)



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当开关管T关断时,由于电感电流iL不能突变,所以iL通过二极管D续流,电感电流随之逐渐减小,电感上的能量逐步消耗在负载上,iL降低,L上储存的能量减小。电感电流减小时,电感两端的电压UL改变极性,二极管D承受正向偏压而导通,构成了续流回路,负载R两端的电压仍保持上正下负。当iL

在稳态分析中,假定输出端滤波电容很大,我们可以认为输出电压是平直的。同样,由于稳态时,电容的平均电流为零,是因为Buck变换器中电感平均电流等于平均输出电流Io。在连续导电模式下,电感电流不会减小到0,前一个周期结束时刻和下一个周期开始时刻电流是连续的。

半桥开关管电压应力为输入电压.而且由于另外一个桥臂上的电容,具有抗偏磁能力,但是对于上面一种拓扑,通常还会加隔直电容来提高抗偏磁能力.但是如果采用峰值电流控制,要注意一个问题,就是有可能会导致电容安秒不平衡的问题.要需要其他方法来解决。

半桥变换器可以通过不对称控制来实现ZVS,也就是两个管子交替导通,一个占空比为D,另外一个就为1-D.就是所谓的不对称半桥,通常采用下面一种拓扑.对于不对称半桥可以采用峰值电流控制。

正激变换器

绕组复位正激变换器

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LCD复位正激变换器

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RCD复位正激变换器

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有源钳位正激变换器

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双管正激

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吸收双正激

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有源钳位双正激

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原边钳位双正激

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软开关双正激

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推挽变换器

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无损吸收推挽变换器

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推挽正激

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推挽变换器:推挽变换器是双端变换器.其实是两个正激变换器通过变压器耦合而来,基本推挽变换器好处是驱动不需隔离,变压器双端磁化,只要两个开关管.但是,变压器绕组利用率低,开关管电压应力为输入两倍,所以一般只适合低压输入的场合.而且有个问题就是会出现偏磁,所以要采用电流型控制等方法来避免.


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