【正文】 0 0 m1 9 . 8 0 m2 D G r a p h S e l3 T F R 1 . . .副邊電壓波形 02 . 6 41 . 0 02 . 0 01 9 . 5 0 m 2 0 . 0 0 m1 9 . 8 0 m2 D G r a p h S e l3 E 1 . I [ A ]電源電流（占空比 40%） ? 2） Forward（單端正激）變換器 ? Forward變換器（單端正激變換器）實(shí)際上是在降壓式 BUCK變換器中插入隔離變壓器而成，由于變壓器的磁通只工作在磁滯回線的一側(cè)，因此要遵循磁通復(fù)位的原則，即每個(gè)周期結(jié)束時(shí)變壓器磁通必須回到原來(lái)的位置，也就是說(shuō)，要保證變壓器原邊在導(dǎo)通期間的電壓時(shí)間乘積（伏秒積）與關(guān)斷期間的伏秒積相等。 ? 從電壓與磁通的關(guān)系 出發(fā)，有： ? Q導(dǎo)通期間： ? Q截止期間： ? 導(dǎo)通和截止期間磁通的變量應(yīng)相等，有： ? 在磁化電流連續(xù)狀態(tài)下，單端反激式變換器的輸出電壓值取決于匝比、占空比和輸入電壓，與負(fù)載電阻無(wú)關(guān) 。如果在每個(gè)工作周期結(jié)束時(shí)，磁通沒(méi)有回到周期開(kāi)始的出發(fā)點(diǎn)，而是隨著周期的重復(fù)，磁通棘輪式上升，即工作點(diǎn)逐漸上移，電流逐漸增大，鐵芯最終飽和，最終造成損壞，這一過(guò)程是在瞬間完成。磁化電流處于連續(xù)狀態(tài)時(shí)變壓器中的初、次級(jí)電流、磁通及初級(jí)電壓波形如圖 515a所示。 ? 3) 連續(xù)狀態(tài) ? 當(dāng)截止時(shí)間 toff小于繞組 N2中的電流衰減到零所需的時(shí)間時(shí)，即： ? 繞組 N2中的電流 is大于零 ,在下一個(gè)周期 Q重新導(dǎo)通時(shí)， N1中的電流 ip從 Ipmin開(kāi)始按VIN/L1的規(guī)律線性上升，這時(shí)磁化電流處于連續(xù)狀態(tài)。 ? 現(xiàn)在看一看 Q承受的反向耐壓。 ? 從能量守恒出發(fā)，假定電路中沒(méi)有損耗，輸入的能量都被負(fù)載吸收，在此條件下，推導(dǎo)磁化電流處于斷續(xù)狀態(tài)時(shí)輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系。電流斷續(xù)時(shí)有三種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，如圖 514a、 b、 c所示，斷續(xù)期間負(fù)載所需能量由電容提供。 在下一個(gè)周期重新導(dǎo)通時(shí)， N1中的電流 ip也從零開(kāi)始按的 規(guī)律線性上升，這時(shí)磁化電流處于臨界狀態(tài)。 ? 上述三種情況即 Flyback變換器的三種工作狀態(tài)：連續(xù)狀態(tài)、臨界狀態(tài)和斷續(xù)狀態(tài)。此時(shí)只有變壓器原邊繞組工作，變壓器相當(dāng)于一個(gè)電感，設(shè)繞組 N1的電感量為 L1，繞組 N2的電感量為 L2，則管導(dǎo)通期間流過(guò)初級(jí)繞組 N1的電流為： 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 : 20 M a r 20 01 S he e t of F i l e : F : \李宏電路圖 \ D I S A N T U D r a w n B y:V I NTQD1CRN 1 N 2VO**V I NTQD1CRN 1 N 2VO**V I NTQD1CRN 1 N 2VO**abc圖 514 Flyback變換器不同開(kāi)關(guān)狀態(tài) 的等效電路圖 ? t=ton時(shí)，電流 ip達(dá)到最大值 ipmax ? ? t=ton時(shí)，功率晶體管 Q截止，如圖 214b所示，原邊繞組開(kāi)路，次級(jí)繞組的電壓極性上正下負(fù)，二極管 D導(dǎo)通，導(dǎo)通期間儲(chǔ)存在變壓器中的能量通過(guò)二極管向負(fù)載釋放，同時(shí)向電容充電。 BOOST變換器只有一個(gè)電感， Flyback變換器是耦合電感，對(duì)原邊繞組的自感來(lái)講，它的電流不可能連續(xù)，因?yàn)楣β示w管斷開(kāi)后電流必然為零，這時(shí)必然在次級(jí)繞組的自感中引起電流，故對(duì) Flyback變換器來(lái)講，電流連續(xù)是指變壓器兩個(gè)繞組的合成安匝在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中不為零，與此相反即為電流斷續(xù)。 Flyback（單端反激）變換器由于電路簡(jiǎn)單，所用器件少，適于多路輸出場(chǎng)合應(yīng)用。 ? 1） Flyback（單端反激）變換器原理 ? Flyback（單端反激）變換器原理圖如圖 513所示。 隔離的 DCDC變換器原理 ? 在實(shí)際應(yīng)用中，有許多場(chǎng)合需要輸出電壓和輸入電壓隔離，或需要多路輸出，此時(shí)需要高頻變壓器來(lái)完成這些功能。假設(shè)負(fù)載電流的脈動(dòng)量很小而可以忽略，即電感的峰 峰脈動(dòng)電流即為電容充放電電流。在 toff期間 C1充電，在 ton期間 C1向負(fù)載放電，可見(jiàn)C1起著傳遞能量的作用。由電路可知，在這種電路結(jié)構(gòu)中， Q管和二極管 D是同步工作的， Q導(dǎo)通， D截止； Q截止， D導(dǎo)通。 Cuk變換器能夠提供一個(gè)反極性、不隔離的輸出電壓，輸出電壓可高于或低于輸入電壓，而且其輸入電流和輸出電流都是連續(xù)的、非脈動(dòng)的，這些特點(diǎn)使 Cuk變換器有著廣闊的應(yīng)用前景。針對(duì)這一缺點(diǎn)，美國(guó)加州理工大學(xué)的 Slobdan Cuk教授提出了單管 Cuk變換器，該變換器使用了兩個(gè)電感，一個(gè)在輸入端，一個(gè)在輸出端，從而減小了電流脈動(dòng)。這三種工作狀態(tài)的等效電路如圖 59b、 c、 d所示。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。 ? 當(dāng) 時(shí)， ； ? 當(dāng) 時(shí)， ，為升壓型； ? 當(dāng) 時(shí)， ，為降壓型。 ? 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。 ? 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。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。這三種工作狀態(tài)的等效電路如圖 57b、 c、 d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。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(chēng)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。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。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 0 0 S he e t of F i l e : D : \ l i c i r c ui t \ l i ho ng .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(kāi)關(guān)狀況下等效電路 iLILm axILm i nIiiLILm axILm i nILm i nILm axiQiDiCucΔ UCttttttttttttILm axILm axILm axiCuca 電感連流連續(xù) b 電感電流斷續(xù)000000 000000Iitontof fT tonTt ’of f IOIm ax IOVGEVGE IOIm ax 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(kāi)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(guò)電感的電流： ? 開(kāi)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(guò)二極管 D輸送給負(fù)載和濾波電容 C。 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。 ? 確定連接導(dǎo)線。 ? 確定電容。 ? 確定臨界電感。 ? 占空比選擇。工作頻率提高可以減小 L、 C，但開(kāi)關(guān)損耗增大，因此效率減小。 ? 選擇開(kāi)關(guān)管工作頻率。 Buck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 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。 ? Q導(dǎo)通期間，電感電流從零開(kāi)始增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)量為 ? Q截止后，電感電流從最大值線性下降，在 時(shí)刻下降到零，其減小量為： ? 電感電流增長(zhǎng)量和電感電流減小量在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)相等： ? 電感電流連續(xù)時(shí)， ，電感電流斷續(xù)時(shí)， 。 ? 2）電感電流斷續(xù)工作方式（ Discontinuous current mode） ? 圖 56b給出了電感電流斷續(xù)時(shí)的工作波形，它有三種工作狀態(tài)：① Q導(dǎo)通，電感電流 iL從零增長(zhǎng)到 ；② Q關(guān)斷，二極管 D續(xù)流， iL從 降到零；③ Q和 D均截止，在此期間 iL保持為零，負(fù)載電流由輸出濾波電容供電。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(chēng)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。在已知 、 Vd、 Vo和 f的情況下根據(jù)上述公式可以確定 C和 L的值。 ? 因?yàn)? ，當(dāng) 時(shí)， C充電，輸出電壓 vo升高；當(dāng) 時(shí)， C放電，輸出電壓 vo下降，假設(shè)負(fù)載電流 io的脈動(dòng)量很小而可以忽略，則 ，即電感的峰峰脈動(dòng)電流 即為電容 C充放電電流。 ? 考慮到 和 ，可得 ? 因此， Buck電路輸出電壓平均值與占空比δ 成正比， δ 從 0變到 1，輸出電壓從 0變到 ,且輸出電壓最大值不超過(guò)輸入電壓 。二極管 D被截止，等效電路如圖 55b所示，這時(shí)電感上的電壓為： ? 若 VO在這期間保持不變，則有： ? 顯然 ? 即導(dǎo)通過(guò)程的電流變化： ? 開(kāi)關(guān)狀態(tài) 2： Q關(guān)斷 ? t=ton時(shí)刻， Q關(guān)斷，儲(chǔ)能電感中的電流不能突變，于是電感 L兩端產(chǎn)生了與原來(lái)電壓極性相反的自感電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)使二極管 D正向偏置，二極管 D導(dǎo)通，儲(chǔ)能電感中儲(chǔ)存的能量通過(guò)二極管 D向負(fù)載供電，二極管 D的作用是續(xù)流，這就是二極管 D被稱(chēng)為續(xù)流二極管的原因。電感電流 iL連續(xù)條件下其工作波形如圖 56a所示。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT