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《单端变换器基本原理与设计制作》之降压型变换器

2018-03-29 17:19 来源:互联网 编辑:电源网


此篇是即将在机械工业出版社辽宁工业大学陈之勃老师的著作“单端变换器基本原理与设计制作”节选,让我们看看降压型DC/DC变换器的每个元件是怎样置放在电路里的,为什么要置放这些元件,道理是什么。形成一个电路的思路很重要!要想创新,没有电路构成的思路永远跟在别人的后面。这就是其撰写该书的第三章到第八章的目的。

第三章 降压型变换器

3.1  降压型(BUCK)变换器概述

直流电的获得:可以是电池:干电池、碱性电池、充电电池甚至是燃料电池;可以是直流发电机;还可以是通过交流电整流获得;甚至可以用太阳能电池板获得。

直流电:其特征为恒定不变的电压。在电子线路应用和需要直流电的应用中均要求供电电压的恒定不变特性。

当直流电中含带了交流成分,这时的直流电被称为脉动直流电,不再是纯净的直流电。

由高等数学和电路知识得知:非同频电压、电流相乘,所得一个周期的功率为零,在直流电中,只有频率为零的电流流成分作功,因此,衡量直流电的电压、电流的大小无一例外地用平均值。

由于直流电中是以平均值来表达其电流、电压及作功的功率的,因而改变电压或电流的平均值,即改变了直流电压或电流的因果关系,通常改变电压的平均值。

3.2 电路的推导

3.2.1 直流电压的切割

改变电压平均值的方法是:在时间轴上,有规律地切掉部分直流电压可改变直流电压平均值如图3.1。

其中阴影部分为保留部分,非阴影部分为切除部分。其阴影部分的平均值为:

(3.1)

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式中,二极管为占空比。




当Vin被有规律的部分切除后,输出电压平均值随切除部分的变化而变化。若令保留部分持续时间为ton ,切除部分为toff ,开关周期为T,输入电压为Vin,输出电压为Vo。

欲实现这一功能,可在输入、输出间接一个开关,令开关按图3.1中描述的规律开关,电路示意图如图3.2。

图3.2 开关斩波电路示意图

图3.2 开关斩波电路示意图

3.2.2 直流脉冲串的平滑—低通滤波器

在图3.2电路的输出端可以获得比输入电压值低的输出电压平均值。图3.1的电压波形的直流电压是不能应用于电子线路和电力电子线路应用的,需要将其平滑。或者说图3.1的输出电压是脉动的,含有非常丰富的交流分量,不能直接应用,需将脉动成分去掉。最简单去掉脉动成分的办法是在开关后面接一低通滤波器(通常称为滤波电路,电路框图如图3.3。

图3.3低通滤波器原理框图

图3.3低通滤波器原理框图

图3.3中的低通滤波器很容易联想到RC低通滤波器,如图3.4。

图3.4 RC低通滤波器

图3.4 RC低通滤波器

如果是信号处理电路,图3.4电路最简单,也可以实现低通功能。但是对于功率转换电路,图3.4电路中的电阻流过输出电流,这势必造成电能的损耗,同时也造成滤波器输出特性变软。这两个问题都是绝对不允许在电能转换电路中出现的。

为了解决这个问题,图3.4中的电阻必须用“无损耗”元件替代。也就是用电感替代。这时低通滤波电路就是LC低通滤波器,如图3.5。

图3.5 LC低通滤波器

图3.5  LC低通滤波器

从能量转换角度看,图3.1波形将连续平滑的能量传输切割成断续的脉冲能量输出。而断续的脉冲能量输出不符合大多数应用条件,需要将断续的脉冲能量转换成连续平滑的纯直流电能量。

根据能量守恒定律,电路在每一瞬时能量都必须守恒。这样,断续的脉冲能量变换成连续平滑的能量,在每一瞬时必将不一定相等(或守恒),为了达到守恒的目的,必须采用具有储能功能的电储能元件,也就是电感、电容。图3.5可以实现这个目标。

3.2.3 线性低通滤波器在非线性电路中的问题

在线性电路中,图3.5电路可以很好地完成低通滤波功能。但是降压型变换器由于电力半导体器件工作在开关状态,是开关功率变换器,也是非线性电路或非线性功率变换器。对于非线性电路,图3.5电路可能会出现一些问题。

由于低通滤波器前面是开关,在开关断开时会将电感的电流通路破坏。由于电感上的电流不能跃变,电感上将产生感生电势e=L•二极管i/二极管t 强迫外界产生电流通路,

与此同时,电感的储能将迅速释放。由于开关处于断开状态下电感产生的感生电势,几乎全部降落在开关两端。使得电感储能几乎全部释放到开关两端。电路工作期间,电感的储能没有被利用,无法实现将斩波的直流电压脉冲平化为直流电。

3.2.4 非线性电路中实际的低通滤波器

这是在实际应用中所不允许的。因而需要在开关断开期间给电感以续流通路,由于电路工作时电感上的电流是单向的,输入、续流通路的电流均为单向的,同时又不能将输入短路。如图3.6。

图3.6 开关关断期间电感可能的通路

图3.6 开关关断期间电感可能的通路

很显然,这个续流通路只能是二极管或受控单向导电器件。这样,在LC低通滤波器前、开关后的二极管续流通路如图3.7。这个续流通路的二极管可以称为续流二极管(英文为free wheel 二极管io二极管e)。

图3.7 带有续流二极管的低通滤波器

图3.7 带有续流二极管的低通滤波器

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