第3章-1开关电源拓扑及控制模式
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on
DT
和
Vd VO V t on O t off L L toff (1 D ) T
பைடு நூலகம்
，可得
VO D Vd
因此，Buck电路输出电压平均值与占空比D 成正比，D从0变到1，输出电压从0变化,且 输出电压最大值不超过输入电压。
第3章开关电源拓扑及控制模式 • 电容两端的电压变化量实际上就是输出电压的纹波 电压。假设负载电流io的脉动量很小而可以忽略， 则 iC i L iO ，即电感的峰峰脉动电流 I L 即为电容C 充放电电流 iC i L。电容充电电荷量即电流曲线与 横轴所围的面积：
node 10
第3章开关电源拓扑及控制模式
开关管 电压 电感 电流 输入 电流 二极管 电流 电容 电流 负载 电压
第3章开关电源拓扑及控制模式
Buck变换器的元器件参数选择
Lf
RLd + Uo _
Q Ui
D
Cf
已知条件： 输入电压Ui(变化范围) 输出电压Uo 输出电流Io 输出电压稳定精度 输出电压纹波
Vd VO V ton O t 'off L L
O
Vd
on
ton t off
'
on
ton
T
t off
'
D D'
T
•
' D D 1 电感电流连续时，
，电感电流断续
时，D D ' 1 。 变换器输出电流等于电感电流平均值：
2 Vd 1 1 1 D ' I L Q iL ton t off 1 Vd 2 fL VO T T 2
(iL ) opened
Vd V ton d DT L L
• 开关状态2：Q截止 Q管截止，二极管正向偏置而导通，电源功率和储存 在L中的能量输送给负载和滤波电容C。此时流过电感的电 流为：
Vd VO L diL dt diL Vd VO dt L diL iL Vd VO dt t off L
条件假设
1、理想开关器件； 2、L、C 无损耗，无寄生参数； 3、电源 Ui 内阻为零，无分布参数； 4、开关频率 fs 远大于截止频率 fc
第3章开关电源拓扑及控制模式
3.1.1 降压型斩波电路（Buck电路）
Q
iL
D
L iC
io
Q
iL
D
L
io
Vd
uc
C
Z
Vd
uc
C
Z
a
Q
Buck电路图
b
io Q
t t
Δ UC
uc
a 电感 连流连 续
b 电感 电流断 续
Boost电路各点工作波形
第3章开关电源拓扑及控制模式
1) 电感电流连续模式CCM（Continuous current mode） • 开关状态1：Q导通 Q管导通，输入电压加到储能电感L两端，二极管D被反 向截止，流过电感的电流：
Vd L di L dt di L Vd dt L di L i L Vd dt t on L
1 1 (1 D ) RL 2 Lf
LC L (1 D)
RL 2f
• LC即为临界电感值，式中RL为负载电阻。
第3章开关电源拓扑及控制模式 • 2）电感电流断续工作方式 • 根据电感电流断续时的工作波形，它有三种工作 状态：①Q导通，电感电流iL从零增长到 I L max ；② Q关断，二极管D续流，iL从 I L max 降到零；③Q和D均 截止，在此期间iL保持为零，负载电流由输出滤 波电容供电。 • Q导通期间，电感电流从零开始增长，其增长量为
第3章开关电源拓扑及控制模式
• 电感电流不能突变，只能近似的线性上升 和下降，电感量越大电流的变化越平滑； 电感量越小电流的变化越陡峭。当电感量 小到一定值时，在t=T时刻，电感L中储藏 的能量刚刚释放完毕，这时 I L min 0 ，此时 的电感量被称为临界电感，当储能电感L的 电感量小于临界电感时，电感中电流就发 生断续现象。
on
VO L
显然
dt t off
V di L O dt L
di L dt V iL O t Off L
即关断过程的电流变化：
(iL ) closed VO t Off L
第3章开关电源拓扑及控制模式
• 只有Q管导通期间（ton内）电感L增加的电 流等于Q管截止期间（toff时间内）减少的 电流，电路才能达到平衡。 考虑到 t
Q CVO Q CVO VO Q C
I L T 2 2 I L T Q S 2 8
Q I L T I L VO U C C 8C 8Cf
uo
0
uc
Uo t
第3章开关电源拓扑及控制模式 由式可知，降低纹波电压，除与输入输出电压有 关外，增大储能电感L和滤波电容C可以起到显著 效果，提高电力半导体器件的工作频率也能收到 同样的效果。在已知 V 、Vd、Vo和f的情况下根 据上述公式可以确定C和L的值。 V I 设负载阻抗 Z R ，则电感平均电流为： R V 电感电流的最大值： ( i ) t
Q导通
L io
iL
D
L
Vd
uc
C
Z
Vd
D
uc
C
Z
c
Q关断
d
Q关断时电感电流为零
Buck变换器原理图及不同开关状态下的等效电路图
电感电流连续模式(Continuous Conduction Mode-CCM) 电感电流断续模式(Discontinuous Conduction Mode-DCCM)
第3章开关电源拓扑及控制模式
VGE 0 iL 0 iQ 0 iD 0 iC 0 vO 0 VO ton T t 0 ton ILmax ILmin ILmax IO ILmax ILmin ILmin t t t 0 ILmax 0 ILmax 0 ILmax 0 iC 0 toff vO t’off VO T b 电感电流断续 t t t iL t IO t VGE
( i L ) opened V d VO t on L
on
• Q截止后，电感电流从最大值线性下降，在 t t 时刻下降到零，其减小量为：
( i L ) closed VO ' t off L
t ' off
第3章开关电源拓扑及控制模式
• 电感电流增长量和电感电流减小量在稳态 时应相等： V t t T D
元器件参数选择： 功率晶体管 二极管 滤波电感 滤波电容
第3章开关电源拓扑及控制模式
变换效率的近似计算
Q Ui Lf
RLd + Uo _
D
Cf
双极性晶体管 如果fs>20kHz，可近似认为 其导通损耗等于开关损耗。
功率MOSFET 如果fs<100kHz，可忽略其开 关损耗。
Uo U i 2U ces
t t
ΔQ
ΔQ
t
a 电感电流连续
Buck电路图各点波形
第3章开关电源拓扑及控制模式 • 开关状态1：Q导通 t=0时刻，Q管被激励导通二极管D被截止，这时电感 上的电压为： di
uL L
L
UGE
dt
0
t ILmax Io ILmin t ton T toff
若Vo在这期间保持不变， iL 则有： di
上式表明，电感电流断续时， 不仅与 占空比有关，而且与负载电流有关。
VO Vd
第3章开关电源拓扑及控制模式
Buck电路MATLAB仿真
+ v -
Voltage Measurement
Continuous pow ergui
g m s + i d
Scope
Pulse Generator
Mosfet
i +
2
第3章开关电源拓扑及控制模式 • 电感电流的最大值：
I L max Vd Vd DT i IL L 2 2 1 D RL 2 L
IL
1 D
Vd
2
RL
• 电感电流的最小值：
I L min I L Vd Vd DT I L 2 2 1 D RL 2 L
Series RLC Branch Current Measurement Current Measurement2
i +
Current Measurement3
+ v -
i +
Current Measurement1 R Diode DC Voltage Source C
Voltage Measurement1
C
O
L
L
L
I L max
1 1 D V V (1 D) I IL L O O VO 2 2 Lf RL R L 2 Lf
O
L closed
L
Off
电感电流的最小值：
I L min I L 1 1 D I L VO VO (1 D) VO 2 2 Lf RL R L 2 Lf
L伏秒平衡原则：
在稳定状态下，一个开关周期中，电感伏秒积的代数和为0。 即：电感两端的平均电压为0。
C安秒平衡原则：
在稳定状态下，一个开关周期中，电容安秒积的代数和为0。 i i 即：流经电容的平均电流为0。 i i
S i
uL iC
L
O
S1 S2
T
t
S1
S2
S1 S2
第3章开关电源拓扑及控制模式
Cf
晶体管类型选择 开关频率 功率管类型 <20kHz 低频功率管 20~50kHz 开关功率管 >50kHz 功率MOSFET
如果功率较大，可选用IGBT。
第3章开关电源拓扑及控制模式
3.1.2升压型斩波电路（Boost电路）
Boost变换器也有电感电流连续和 断续两种工作方式，电感电流连续时 ，存在两种开关状态；电感电流断续 时，存在三种开关状态。
Uo U i U DS
第3章开关电源拓扑及控制模式
二极管类型选择
Q Ui Lf
RLd + Uo _
D
Cf
二极管类型选择 开关二极管、快恢复二极管或者FRED； 电压低于40V时，可选用肖特基二极管；
第3章开关电源拓扑及控制模式
功率晶体管选择：类型
Q Ui Lf
RLd + Uo _
D
VO Vd V Vd toff O (1 D )T L L
(iL )closed
第3章开关电源拓扑及控制模式 • 伏秒平衡，解得：
Vd VO 1 D
• 设负载阻抗Z=RL，从能量守恒定律出发，输出电 流Io=Vo/RL，电感平均电流即为输入电流IL=Ii：
VO2 Vd I L RL Vd VO2 Vd 1 D IL 2 Vd RL Vd RL 1 D RL
VGE 0 iL 0 iQ 0 iD 0 0 -I O uc 0 ton T iC toff t I Lm ax IL m ax Ii I Lm ax IL min IL min Im ax -I O t I Lm in t t 0 IL m ax 0 IL m ax 0 IL m ax 0 iC 0 - IO 0 t on T I max -IO t’off t t t t iL t Ii t V GE
第3章开关电源拓扑及控制模式
iL L D iC Vd Q uc C Z Vd Q uc io iL L D iC C Z io
a
iL L
Boost电路图
D io iC iL L
b
Q导通
D io iC
Vd
Q
uc
C
Z
Vd
Q
uc
C
Z
c
Q关断
d
Q关断时电感电流为零
Boost电路及不同开关状况下等效电路
第3章开关电源拓扑及控制模式
第3章开关电源拓扑及控制模式
第三章 开关电源的基本电路
3.1非隔离型电路 非隔离型电路即各种直流斩波电路，根据电路形式的 不同，可以分为降压(Buck)型电路、升压(Boost）型电路、 升降压(Buck-Boost)型电路、Cuk型丘克电路、Sepic型电 路和Zeta型电路。
第3章开关电源拓扑及控制模式
Vd VO L
L
dt
0
显然
dt t on
Vd VO t on i L L i L Vd VO t on L
Vd VO dt di L L
即导通过程的电流变化：
(i L ) opened Vd VO t on L
第3章开关电源拓扑及控制模式 • 开关状态2：Q关断 t t T t=ton时刻，Q关断，电感L两端产生了与原来电压 极性相反的自感电动势，二极管D导通，能量通 过二极管D向负载供电，二极管D的作用是续流， 这就是二极管D被称为续流二极管的原因。这时 电感上的电压为：
DT
和
Vd VO V t on O t off L L toff (1 D ) T
பைடு நூலகம்
，可得
VO D Vd
因此，Buck电路输出电压平均值与占空比D 成正比，D从0变到1，输出电压从0变化,且 输出电压最大值不超过输入电压。
第3章开关电源拓扑及控制模式 • 电容两端的电压变化量实际上就是输出电压的纹波 电压。假设负载电流io的脉动量很小而可以忽略， 则 iC i L iO ，即电感的峰峰脉动电流 I L 即为电容C 充放电电流 iC i L。电容充电电荷量即电流曲线与 横轴所围的面积：
node 10
第3章开关电源拓扑及控制模式
开关管 电压 电感 电流 输入 电流 二极管 电流 电容 电流 负载 电压
第3章开关电源拓扑及控制模式
Buck变换器的元器件参数选择
Lf
RLd + Uo _
Q Ui
D
Cf
已知条件： 输入电压Ui(变化范围) 输出电压Uo 输出电流Io 输出电压稳定精度 输出电压纹波
Vd VO V ton O t 'off L L
O
Vd
on
ton t off
'
on
ton
T
t off
'
D D'
T
•
' D D 1 电感电流连续时，
，电感电流断续
时，D D ' 1 。 变换器输出电流等于电感电流平均值：
2 Vd 1 1 1 D ' I L Q iL ton t off 1 Vd 2 fL VO T T 2
(iL ) opened
Vd V ton d DT L L
• 开关状态2：Q截止 Q管截止，二极管正向偏置而导通，电源功率和储存 在L中的能量输送给负载和滤波电容C。此时流过电感的电 流为：
Vd VO L diL dt diL Vd VO dt L diL iL Vd VO dt t off L
条件假设
1、理想开关器件； 2、L、C 无损耗，无寄生参数； 3、电源 Ui 内阻为零，无分布参数； 4、开关频率 fs 远大于截止频率 fc
第3章开关电源拓扑及控制模式
3.1.1 降压型斩波电路（Buck电路）
Q
iL
D
L iC
io
Q
iL
D
L
io
Vd
uc
C
Z
Vd
uc
C
Z
a
Q
Buck电路图
b
io Q
t t
Δ UC
uc
a 电感 连流连 续
b 电感 电流断 续
Boost电路各点工作波形
第3章开关电源拓扑及控制模式
1) 电感电流连续模式CCM（Continuous current mode） • 开关状态1：Q导通 Q管导通，输入电压加到储能电感L两端，二极管D被反 向截止，流过电感的电流：
Vd L di L dt di L Vd dt L di L i L Vd dt t on L
1 1 (1 D ) RL 2 Lf
LC L (1 D)
RL 2f
• LC即为临界电感值，式中RL为负载电阻。
第3章开关电源拓扑及控制模式 • 2）电感电流断续工作方式 • 根据电感电流断续时的工作波形，它有三种工作 状态：①Q导通，电感电流iL从零增长到 I L max ；② Q关断，二极管D续流，iL从 I L max 降到零；③Q和D均 截止，在此期间iL保持为零，负载电流由输出滤 波电容供电。 • Q导通期间，电感电流从零开始增长，其增长量为
第3章开关电源拓扑及控制模式
• 电感电流不能突变，只能近似的线性上升 和下降，电感量越大电流的变化越平滑； 电感量越小电流的变化越陡峭。当电感量 小到一定值时，在t=T时刻，电感L中储藏 的能量刚刚释放完毕，这时 I L min 0 ，此时 的电感量被称为临界电感，当储能电感L的 电感量小于临界电感时，电感中电流就发 生断续现象。
on
VO L
显然
dt t off
V di L O dt L
di L dt V iL O t Off L
即关断过程的电流变化：
(iL ) closed VO t Off L
第3章开关电源拓扑及控制模式
• 只有Q管导通期间（ton内）电感L增加的电 流等于Q管截止期间（toff时间内）减少的 电流，电路才能达到平衡。 考虑到 t
Q CVO Q CVO VO Q C
I L T 2 2 I L T Q S 2 8
Q I L T I L VO U C C 8C 8Cf
uo
0
uc
Uo t
第3章开关电源拓扑及控制模式 由式可知，降低纹波电压，除与输入输出电压有 关外，增大储能电感L和滤波电容C可以起到显著 效果，提高电力半导体器件的工作频率也能收到 同样的效果。在已知 V 、Vd、Vo和f的情况下根 据上述公式可以确定C和L的值。 V I 设负载阻抗 Z R ，则电感平均电流为： R V 电感电流的最大值： ( i ) t
Q导通
L io
iL
D
L
Vd
uc
C
Z
Vd
D
uc
C
Z
c
Q关断
d
Q关断时电感电流为零
Buck变换器原理图及不同开关状态下的等效电路图
电感电流连续模式(Continuous Conduction Mode-CCM) 电感电流断续模式(Discontinuous Conduction Mode-DCCM)
第3章开关电源拓扑及控制模式
VGE 0 iL 0 iQ 0 iD 0 iC 0 vO 0 VO ton T t 0 ton ILmax ILmin ILmax IO ILmax ILmin ILmin t t t 0 ILmax 0 ILmax 0 ILmax 0 iC 0 toff vO t’off VO T b 电感电流断续 t t t iL t IO t VGE
( i L ) opened V d VO t on L
on
• Q截止后，电感电流从最大值线性下降，在 t t 时刻下降到零，其减小量为：
( i L ) closed VO ' t off L
t ' off
第3章开关电源拓扑及控制模式
• 电感电流增长量和电感电流减小量在稳态 时应相等： V t t T D
元器件参数选择： 功率晶体管 二极管 滤波电感 滤波电容
第3章开关电源拓扑及控制模式
变换效率的近似计算
Q Ui Lf
RLd + Uo _
D
Cf
双极性晶体管 如果fs>20kHz，可近似认为 其导通损耗等于开关损耗。
功率MOSFET 如果fs<100kHz，可忽略其开 关损耗。
Uo U i 2U ces
t t
ΔQ
ΔQ
t
a 电感电流连续
Buck电路图各点波形
第3章开关电源拓扑及控制模式 • 开关状态1：Q导通 t=0时刻，Q管被激励导通二极管D被截止，这时电感 上的电压为： di
uL L
L
UGE
dt
0
t ILmax Io ILmin t ton T toff
若Vo在这期间保持不变， iL 则有： di
上式表明，电感电流断续时， 不仅与 占空比有关，而且与负载电流有关。
VO Vd
第3章开关电源拓扑及控制模式
Buck电路MATLAB仿真
+ v -
Voltage Measurement
Continuous pow ergui
g m s + i d
Scope
Pulse Generator
Mosfet
i +
2
第3章开关电源拓扑及控制模式 • 电感电流的最大值：
I L max Vd Vd DT i IL L 2 2 1 D RL 2 L
IL
1 D
Vd
2
RL
• 电感电流的最小值：
I L min I L Vd Vd DT I L 2 2 1 D RL 2 L
Series RLC Branch Current Measurement Current Measurement2
i +
Current Measurement3
+ v -
i +
Current Measurement1 R Diode DC Voltage Source C
Voltage Measurement1
C
O
L
L
L
I L max
1 1 D V V (1 D) I IL L O O VO 2 2 Lf RL R L 2 Lf
O
L closed
L
Off
电感电流的最小值：
I L min I L 1 1 D I L VO VO (1 D) VO 2 2 Lf RL R L 2 Lf
L伏秒平衡原则：
在稳定状态下，一个开关周期中，电感伏秒积的代数和为0。 即：电感两端的平均电压为0。
C安秒平衡原则：
在稳定状态下，一个开关周期中，电容安秒积的代数和为0。 i i 即：流经电容的平均电流为0。 i i
S i
uL iC
L
O
S1 S2
T
t
S1
S2
S1 S2
第3章开关电源拓扑及控制模式
Cf
晶体管类型选择 开关频率 功率管类型 <20kHz 低频功率管 20~50kHz 开关功率管 >50kHz 功率MOSFET
如果功率较大，可选用IGBT。
第3章开关电源拓扑及控制模式
3.1.2升压型斩波电路（Boost电路）
Boost变换器也有电感电流连续和 断续两种工作方式，电感电流连续时 ，存在两种开关状态；电感电流断续 时，存在三种开关状态。
Uo U i U DS
第3章开关电源拓扑及控制模式
二极管类型选择
Q Ui Lf
RLd + Uo _
D
Cf
二极管类型选择 开关二极管、快恢复二极管或者FRED； 电压低于40V时，可选用肖特基二极管；
第3章开关电源拓扑及控制模式
功率晶体管选择：类型
Q Ui Lf
RLd + Uo _
D
VO Vd V Vd toff O (1 D )T L L
(iL )closed
第3章开关电源拓扑及控制模式 • 伏秒平衡，解得：
Vd VO 1 D
• 设负载阻抗Z=RL，从能量守恒定律出发，输出电 流Io=Vo/RL，电感平均电流即为输入电流IL=Ii：
VO2 Vd I L RL Vd VO2 Vd 1 D IL 2 Vd RL Vd RL 1 D RL
VGE 0 iL 0 iQ 0 iD 0 0 -I O uc 0 ton T iC toff t I Lm ax IL m ax Ii I Lm ax IL min IL min Im ax -I O t I Lm in t t 0 IL m ax 0 IL m ax 0 IL m ax 0 iC 0 - IO 0 t on T I max -IO t’off t t t t iL t Ii t V GE
第3章开关电源拓扑及控制模式
iL L D iC Vd Q uc C Z Vd Q uc io iL L D iC C Z io
a
iL L
Boost电路图
D io iC iL L
b
Q导通
D io iC
Vd
Q
uc
C
Z
Vd
Q
uc
C
Z
c
Q关断
d
Q关断时电感电流为零
Boost电路及不同开关状况下等效电路
第3章开关电源拓扑及控制模式
第3章开关电源拓扑及控制模式
第三章 开关电源的基本电路
3.1非隔离型电路 非隔离型电路即各种直流斩波电路，根据电路形式的 不同，可以分为降压(Buck)型电路、升压(Boost）型电路、 升降压(Buck-Boost)型电路、Cuk型丘克电路、Sepic型电 路和Zeta型电路。
第3章开关电源拓扑及控制模式
Vd VO L
L
dt
0
显然
dt t on
Vd VO t on i L L i L Vd VO t on L
Vd VO dt di L L
即导通过程的电流变化：
(i L ) opened Vd VO t on L
第3章开关电源拓扑及控制模式 • 开关状态2：Q关断 t t T t=ton时刻，Q关断，电感L两端产生了与原来电压 极性相反的自感电动势，二极管D导通，能量通 过二极管D向负载供电，二极管D的作用是续流， 这就是二极管D被称为续流二极管的原因。这时 电感上的电压为：