【正文】 r a n chS co p eRP u l s eG e n e r a t o rnode 10g md sM o s f e tD i o d eD C V o l t a g e S o u r cei+C u r r e n t M e a s u r e m e n t 3i+C u r r e n t M e a s u r e m e n t 2i+C u r r e n t M e a s u r e m e n t 1i+C u r r e n t M e a s u r e m e n tCBUCK變換器設(shè)計(jì)步驟 ? 選擇續(xù)流二極管 D。續(xù)流二極管選用快恢復(fù)二極管，其額定工作電流和反向耐壓必須滿足電路要求，并留一定的余量。 ? 選擇開關(guān)管工作頻率。最好工作頻率大于 20KHZ，以避開音頻噪聲。工作頻率提高可以減小 L、 C，但開關(guān)損耗增大，因此效率減小。 ? 開關(guān)管可選方案： MOSFET、 IGBT、 GTR。 ? 占空比選擇。為保證當(dāng)輸入電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，輸出電壓能夠穩(wěn)定，占空比一般選 。 ? 確定臨界電感。 ，電感選取一般為臨界電感的 10倍。 ? 確定電容。電容耐壓必須超過額定電壓；電容必須能夠傳送所需的電流有效值；電流有效值計(jì)算：電流波形為三角形，三角形高為 ，底寬為 ，因此電容電流有效值為： ? 根據(jù)紋波要求，確定電容容量。 ? 確定連接導(dǎo)線。確定導(dǎo)線必須計(jì)算電流有效值（ RMS） ,電感電流有效值由下式給出： ? ? 由電流有效值確定導(dǎo)線截面積，由工作頻率確定穿透深度（當(dāng)導(dǎo)線為圓銅導(dǎo)線時(shí)，穿透深度為： ），然后確定線徑和導(dǎo)線根數(shù)。 Boost電路 ? Boost電路如圖 57a所示，等效電路如圖 57b所示，工作波形圖如圖 58所示。它是一升壓斬波電路，同 Buck變換器一樣， Boost變換器也有電感電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作方式，電感電流連續(xù)時(shí)，存在兩種開關(guān)狀態(tài)；電感電流斷續(xù)時(shí)，存在三種開關(guān)狀態(tài)。電路穩(wěn)定狀態(tài)下的工作分析如下： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 27 J ul 20 00 S h e e t o f F i l e : D : \ l i c i r c u i t \ l i ho n g. d db D r a w n B y :QDLC ZVd uciCioB o o s t 電路圖iLQDLC ZVd uciCioiLQDLC ZVd uciCioiLQDLC ZVd uciCioiLb Q 導(dǎo)通Q 關(guān)斷 Q 關(guān)斷時(shí)電感電流為零adc圖 57 Boost電路及不同開關(guān)狀況下等效電路 iLIL m a xIL m i nIiiLIL m a xIL m i nIL m i nIL m a xiQiDiCucΔ UCttttttttttttIL m a xIL m a xIL m a xiCuca 電感連流連續(xù) b 電感電流斷續(xù)000000 000000Iitonto f fT tonTt ’o f f IOIm a x IOVGEVGE IOIm a x IO圖 58 Boost電路各點(diǎn)工作波形 ? 1) 電感電流連續(xù)模式 CCM（ Continuous current mode） ? 開關(guān)狀態(tài) 1： Q導(dǎo)通 ? Q管導(dǎo)通，輸入電壓加到儲(chǔ)能電感 L兩端，二極管 D被反向截止，等效電路如圖 57b所示，流過電感的電流： ? 開關(guān)狀態(tài) 2： Q截止 ? Q管截止，二極管正向偏置而導(dǎo)通，等效電路如圖 57c所示電源功率和儲(chǔ)存在 L中的能量通過二極管 D輸送給負(fù)載和濾波電容 C。此時(shí)流過電感的電流為： ? 顯然，只有 Q管導(dǎo)通期間（內(nèi)）儲(chǔ)能電感 L增加的電流等于 Q管截止期間（內(nèi)）減少的電流，這樣電路才能達(dá)到平衡，才能保證儲(chǔ)能電感中一直有能量，才能不斷地向負(fù)載提供能量和功率。解得： ? 表明 Boost DCDC變換器是一個(gè)升壓電路，當(dāng)占空比從零變到 1時(shí)，輸出電壓從 變到任意大。 ? 設(shè)負(fù)載阻抗 Z=RL，從能量守恒定律出發(fā)，輸出電流 IO=VO/RL，電感平均電流即為輸入電流 IL=Ii： ? 電感電流的最大值： ? 電感電流的最小值： ? 電感電流不能突變，只能近似的線性上升和下降，電感量越大電流的變化越平滑；電感量越小電流的變化越陡峭。當(dāng)電感量小到一定值時(shí)，在 t=T時(shí)刻，電感 L中儲(chǔ)藏的能量剛剛釋放完畢，這時(shí) ，此時(shí)的電感量被稱為臨界電感，當(dāng)儲(chǔ)能電感 L的電感量小于臨界電感時(shí)，電感中電流就發(fā)生斷續(xù)現(xiàn)象。 ? 濾波電容上的電壓等于輸出電壓，電容兩端的電壓變化量實(shí)際上就是輸出電壓的紋波電壓， 的波形如圖 58a所示。若忽略負(fù)載電流脈動(dòng)，則在導(dǎo)通期間電容泄放電荷量應(yīng)等于在關(guān)斷期間電容充電電荷量，反映了電容峰 峰電壓脈動(dòng)量： ? 由此可知，降低紋波電壓，除與輸出電壓有關(guān)外，增大濾波電容 C可以起到顯著效果，提高電力半導(dǎo)體器件的工作頻率也能收到同樣的效果。 ? 2）電感電流斷續(xù)工作方式（ Discontinuous current mode） ? Boost變換器在電感電流斷續(xù)時(shí)有三種開關(guān)狀態(tài)：① Q導(dǎo)通，電感電流從零增長到 ；② Q關(guān)斷，二極管 D續(xù)流，電感電流從 降到零；③ Q和 D均截止，電感電流保持為零，負(fù)載由輸出濾波電容供電。這三種工作狀態(tài)的等效電路如圖 57b、 c、 d所示。 ? Q導(dǎo)通期間，電感電流從零開始增長，其增長量為： ? Q截止后，電感電流從 線性下降，并在 時(shí)刻下降到零，即： ? 式中 ，電感電流斷續(xù)時(shí) ? 若 t=toff時(shí)電流恰好等于零， ? 兩邊各自相加除以 2得 即臨界電感 ? 電感電流臨界連續(xù)時(shí)的平均值 C o n t i n u o u sp o w e r g u iv+V o l t a g e M e a s u r e m e n t 1v+V o l t a g e M e a s u r e m e n tS e r i e s R L C B r a n chS co p eRP u l s eG e n e r a t o rnode 10gmdsM o s f e tD i o d eD C V o l t a g e S o u r cei+C u r r e n t M e a s u r e m e n t 3i+C u r r e n t M e a s u r e m e n t 2i+C u r r e n t M e a s u r e m e n t 1i+C u r r e n t M e a s u r e m e n tC3 、 BuckBoost電路 ? 圖 59a 為 BuckBoost電路原理圖，它即能夠工作在 Buck型，又能夠工作在 Boost型。它的輸入電壓極性與輸出電壓極性相反，輸入為正時(shí)輸出為負(fù)，在 Buck和 Boost變換器中存在一個(gè)能量從電源流入負(fù)載的期間，而在 BuckBoost變換器中，能量首先儲(chǔ)存在電感中，然后再由電感向負(fù)載釋放能量。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 13 A ug 2 00 0 S h e e t o f F i l e : D : \ l i c i r c u i t \ l i ho n g. d db D r a w n B y :QDC ZVd uciCi oB uc k B o o s t 電路圖iLbQ 導(dǎo)通Q 關(guān)斷 Q 關(guān)斷時(shí)電感電流為零adcLiDi uL QDC ZVd uci oiLLiDi uLQDC ZVd uciCi oiLLiDi uL QDC ZVd uciCi oiLLiDi uLCi圖 59 BuckBoost電路原理圖 ? 電感電流連續(xù)模式 CCM（ Continuous current mode） ? 在電感電流連續(xù)條件下，工作于圖 59b、 c所示的兩種狀態(tài)。 ? 狀態(tài) 1： Q導(dǎo)通 ? Q管導(dǎo)通，二極管 D反偏關(guān)斷，能量從輸入電源流入，并存儲(chǔ)在電感 L中， L上的電壓上正下負(fù)，等于輸入電壓，此時(shí)負(fù)載電流由慮波電容 C提供，等效電路如圖 59b所示。 ? 在 ton期間內(nèi)電感電流的增量為： ? 狀態(tài) 2： Q關(guān)斷 ? 在 t=ton時(shí)刻， Q關(guān)斷，由于電感中電流不能突變， L上呈現(xiàn)的感應(yīng)電勢 ,當(dāng)該感應(yīng)電勢超過輸出電壓 VO時(shí)，二極管導(dǎo)通，電感 L上存儲(chǔ)的能量通過 D向負(fù)載和電容 C釋放，補(bǔ)充了電容 C在 ton期間損失的能量，負(fù)載電壓極性與輸入電壓極性相反，等效電路如圖 59c所示，波形如圖 510a所示。 ? 電流按線性規(guī)律直線下降，電感電流的減少量為 ? 顯然，電路平衡時(shí)，才能保證儲(chǔ)能電感 L中一直有能量，才能不斷地向負(fù)載提供能量和功率。因此電流在開通和關(guān)斷期間變化相等，得輸出電壓平均值 ? 改變占空比就能獲得所需的輸出電壓。 ? 當(dāng) 時(shí)， ； ? 當(dāng) 時(shí)， ，為升壓型； ? 當(dāng) 時(shí)， ，為降壓型。 ? 這樣，就可以得到高于或低于輸入電壓的任何輸出電壓。在要求輸出電壓一定的情況下，容許輸入電壓有較大的變化都能夠工作。 ? 假設(shè)電路中所有的器件為理想開關(guān)，即變換器無功率損耗，輸入功率等于輸出功率，負(fù)載阻抗 ： ? 由于輸入平均電流與電感平均電流有以下關(guān)系 ? 因此有： ? 電感電流的最大值： ? ? 電感電流的最小值： ? 當(dāng)電感電流的最小值為零時(shí)，電感為臨界電感： ? 電容上的峰 峰脈動(dòng)電壓求法同 Boost電路一樣，可得： ? Q管截止時(shí)承受的反向電壓為： ? Q管開通時(shí)，加于二極管 D上的反向電壓為 ? 2）電感電流斷續(xù)工作方式（ Discontinuous current mode） ? 圖 510b給出了電感電流斷續(xù)工作時(shí)的主要波形，此時(shí) BookBoost變換器有三種開關(guān)狀態(tài)，① Q導(dǎo)通，電感電流從零增長到最大值；② Q關(guān)斷，二極管續(xù)流，電感電流從最大值降到零；③ Q和 D均截止，電感電流保持為零，負(fù)載由輸出濾波電容供電。這三種工作狀態(tài)的等效電路如圖 59b、 c、 d所示。Q導(dǎo)通期間，電感電流從零開始增長，其增長量為： ? Q截止后，電感電流線性下降，并在 時(shí)刻下降到零，即： ? 因此有： ? 式中 ，電感電流斷續(xù)時(shí) ? 若 t=toff時(shí)電流恰好等于零 : ? 兩邊各自相加后除以 2得 ? 電感電流臨界連續(xù)時(shí)的平均值 BUCKBOOST電路 MATLAB仿真 C o n t i n u o u sp o w e r g u iv+V o l t a g e M e a s u r e m e n t 1v+V o l t a g e M e a s u r e m e n tS e r i e s R L C B r a n chS co p eRP u l s eG e n e r a t o rnode 10g md sM o s f e tD i o d eD C V o l t a g e S o u