2.1 BUCK电路分析(陈新)
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
19
BUCK电路模态分析(电流变化量)
当Q导通时:
当Q截止时:
因为: 所以:
20
BUCK电路模态分析(伏秒面积)
当Q导通时:
∫ Ton 0
uLdt
=
(U i
−Uo )����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
9
10
稳态分析假设条件 此种假设对于将来利用状态空间平均
法分析直流变换器在低频、小信号之 线性模式亦为一关键因素。 降压型变换器其工作分析主要取决于 电感L上所磁通的变化关系,也即取决 于电感上之电流的导通模式 :连续、 临界、断续
11
工作模式概述
连续导通模式(Continuous-Conduction mode; CCM): 在此模式下电感器上之电流为连续导通之情 况,也就是说电感电流的最小值不为零而保持连续, 所以有时此种工作状态也称之为重负载模式(heavy load mode)。
1 L
(VI
− Vo )t
在DTS时,有
BUCK电路模态分析
当Q截止时,有:
VL (t) = −VL(OFF ) = −Vo
电感电流线性下降:
∫ ∫ iL
(t)
=
iL
(DTs
)
+
1 L
t DTs
VL
(t)dt
=
iL
(DTs
)
+
1 L
t
DTs (−VL(OFF ) )dt
=
iL
(DTs
)
+
不连续导通模式(discontinous-conduction mode; DCM):在此模式下电感器上之电流会有不通电流之 情况,也就是说电感电流的最小值会降为零,而不是 一连续情祝,所以此种工作状态有时也称之为轻负载 模式(1ightload mode)。
临界模式
12
工作模式选择
在实际之应用上,我们可以设计变换器单独工 作在某一模式下亦可分别拥有两种模式来工 作;
6
输出滤波器作用
由于变换器功率开关的交换动作,使得 直流输出电压上面会叠加有我们不希望 的交流纹波(ripple)电压
在变换器中的LC部份就是构成一低通滤 波器
经由此低通滤波器即可减小纹波电压至 我们可接受之程度。
7
输出滤波器作用 理论上电感器L与负载电阻R就是形成
一低通滤波器,电容器C似乎就不是那 么重要了! 但是,若要达到输出端较小之纹波电 压,电感之L值就必须足够大,这将增 加电路成本和体积不符合实际。
14
电流连续条件下BUCK电路模态分析
当Q导通时:
VL (t) = VL (ON ) = VI −Vo 电感电流线性上升:
∫ ∫ iL (t )
=
iL (0)
+
1 L
t
0 VL (t)dt
=
iL (0) +
1 L
t
0s VL(ON )dt
=
iL (0)
+
1 L
VL(ON )t
=
iL (0)
+
电路特点:
--- 高频开关工作,效率高,体积小
2
第二章 晶体管功率电路—概述
电路分类: 按开关管数量分:单晶体管电路 多晶体管电路 按是否隔离分: 隔离型 非隔离型
3
第一节 单晶体管功率电路
电路特点:
单个开关功率管,电路简单,适于中小功率
基本电路----六个: 降压式(Buck ) 升压式(Boost) 升/降压式(Boost/Buck) 丘克变换器(Cuk) Zeta变换器 Sepic变换器
1 L
(−VL(OFF )
)(t
−
DTs
)
=
iL
(DTs
)
+
1 L
(−Vo
)(t
−
DTs
)
在TS时刻
iL (DTs )
=
iL (o)
+
1 L
(VI
−Vo )DTs
15
iL
(Ts
)
=
iL
(DTs
)
+
1 L
(−Vo
)(1−
D)Ts
16
BUCK电路模态分析
因为稳态电流不能突变
iL (Ts ) = iL (o)
输入输出有功功率相等
T
∫0 uLdt = 0
T
∫0 iC dt = 0
T
∫0 uN dt = 0
17
18
分析方法小结:
推导输出电压和输入电压关系式方法: CCM方式:
电感电流上升量=电感电流下降量 TON 期间磁通变化量= TOFF期间磁通变化量
DCM方式 流过输出滤波电容前元件的电流平均值=Io
南航 电力电子 课程组
第二章 基本直直电路(2)
降压变换器
陈新
chen.xin@nuaa.edu.cn
课程组网站:
http://cae.nuaa.edu.cn/powerelec
1
开关电源-概述
1. 开关式电源变换器都是属于高频之电子装置,其工作频率 目前在部份皆处于20kHz至200kHz之间。
2. 其功率开关,如功率晶体管或是场效功率晶体管 (MOSFET),会工作于饱和(saturation)与截止 (cut off)之特 性区域中
8Hale Waihona Puke Baidu
输出滤波器作用
因此,加入电容器C至电路中,则可大 大减少电感器之尺寸,更可有效达到 滤波之作用
所以,在实际应用中通常是采用LC滤 波方式
稳态分析假设条件
通常,输出滤波器的转角频率(corner frequency) 远小于变换器的开关频率 (switching frequency)
即输出电压上开关频率的纹波电压非 常小,于是在电容器C上之电压可近似 为恒值
基本
4
---dc/dc变换基本电路拓扑
降压式
+ L1 C1
Ui
s
L2
C2
D+
+ RL
-
-
(d)
CUK
升压式
+s
Ui
-
D
+
C
L
+ RL
-
(c)
升/降压式
Zeta
SEPI5 C
一.降压式变换器 (Buck Converter)
(1)电路构成 Q ,D, L, C四个元件 Q为全控型半导体器件
假设: Ui为理想直流电压源; C很大,UO为直流电压; 器件为理想的
联立以上各式:
iL (Ts )
=
iL (o)
+
1 L
(VI
−Vo )DTs
+
1 L
(−Vo )(1−
d )Ts
(VI −Vo )DTs = Vo (1− D)Ts
化简:
Vo = D = tON
VI
Ts
稳态工作特点
稳态时储能元件一个开关周期具有以下特点:
电感L:电流变化量/伏秒面积为零 电容C:电压变化量/安秒面积为零 变压器:磁通变换量/伏秒面积为0 能量守恒原则:储能能量=释放能量
不过对降压型变换器而言,一般都工作在连续 导通模式方可获得较好之输出性能。
13
一.降压式变换器
(2)基本工作原理
Q管导通期间(Ton)状态1:Uce=0, UA=Ui,D OFF,L储能,iL增大
Q管OFF期间(Toff)(状态2):UD=0,UA=0, 斩波(chopper) Uce=Ui,L释能,iL减小
BUCK电路模态分析(电流变化量)
当Q导通时:
当Q截止时:
因为: 所以:
20
BUCK电路模态分析(伏秒面积)
当Q导通时:
∫ Ton 0
uLdt
=
(U i
−Uo )����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
9
10
稳态分析假设条件 此种假设对于将来利用状态空间平均
法分析直流变换器在低频、小信号之 线性模式亦为一关键因素。 降压型变换器其工作分析主要取决于 电感L上所磁通的变化关系,也即取决 于电感上之电流的导通模式 :连续、 临界、断续
11
工作模式概述
连续导通模式(Continuous-Conduction mode; CCM): 在此模式下电感器上之电流为连续导通之情 况,也就是说电感电流的最小值不为零而保持连续, 所以有时此种工作状态也称之为重负载模式(heavy load mode)。
1 L
(VI
− Vo )t
在DTS时,有
BUCK电路模态分析
当Q截止时,有:
VL (t) = −VL(OFF ) = −Vo
电感电流线性下降:
∫ ∫ iL
(t)
=
iL
(DTs
)
+
1 L
t DTs
VL
(t)dt
=
iL
(DTs
)
+
1 L
t
DTs (−VL(OFF ) )dt
=
iL
(DTs
)
+
不连续导通模式(discontinous-conduction mode; DCM):在此模式下电感器上之电流会有不通电流之 情况,也就是说电感电流的最小值会降为零,而不是 一连续情祝,所以此种工作状态有时也称之为轻负载 模式(1ightload mode)。
临界模式
12
工作模式选择
在实际之应用上,我们可以设计变换器单独工 作在某一模式下亦可分别拥有两种模式来工 作;
6
输出滤波器作用
由于变换器功率开关的交换动作,使得 直流输出电压上面会叠加有我们不希望 的交流纹波(ripple)电压
在变换器中的LC部份就是构成一低通滤 波器
经由此低通滤波器即可减小纹波电压至 我们可接受之程度。
7
输出滤波器作用 理论上电感器L与负载电阻R就是形成
一低通滤波器,电容器C似乎就不是那 么重要了! 但是,若要达到输出端较小之纹波电 压,电感之L值就必须足够大,这将增 加电路成本和体积不符合实际。
14
电流连续条件下BUCK电路模态分析
当Q导通时:
VL (t) = VL (ON ) = VI −Vo 电感电流线性上升:
∫ ∫ iL (t )
=
iL (0)
+
1 L
t
0 VL (t)dt
=
iL (0) +
1 L
t
0s VL(ON )dt
=
iL (0)
+
1 L
VL(ON )t
=
iL (0)
+
电路特点:
--- 高频开关工作,效率高,体积小
2
第二章 晶体管功率电路—概述
电路分类: 按开关管数量分:单晶体管电路 多晶体管电路 按是否隔离分: 隔离型 非隔离型
3
第一节 单晶体管功率电路
电路特点:
单个开关功率管,电路简单,适于中小功率
基本电路----六个: 降压式(Buck ) 升压式(Boost) 升/降压式(Boost/Buck) 丘克变换器(Cuk) Zeta变换器 Sepic变换器
1 L
(−VL(OFF )
)(t
−
DTs
)
=
iL
(DTs
)
+
1 L
(−Vo
)(t
−
DTs
)
在TS时刻
iL (DTs )
=
iL (o)
+
1 L
(VI
−Vo )DTs
15
iL
(Ts
)
=
iL
(DTs
)
+
1 L
(−Vo
)(1−
D)Ts
16
BUCK电路模态分析
因为稳态电流不能突变
iL (Ts ) = iL (o)
输入输出有功功率相等
T
∫0 uLdt = 0
T
∫0 iC dt = 0
T
∫0 uN dt = 0
17
18
分析方法小结:
推导输出电压和输入电压关系式方法: CCM方式:
电感电流上升量=电感电流下降量 TON 期间磁通变化量= TOFF期间磁通变化量
DCM方式 流过输出滤波电容前元件的电流平均值=Io
南航 电力电子 课程组
第二章 基本直直电路(2)
降压变换器
陈新
chen.xin@nuaa.edu.cn
课程组网站:
http://cae.nuaa.edu.cn/powerelec
1
开关电源-概述
1. 开关式电源变换器都是属于高频之电子装置,其工作频率 目前在部份皆处于20kHz至200kHz之间。
2. 其功率开关,如功率晶体管或是场效功率晶体管 (MOSFET),会工作于饱和(saturation)与截止 (cut off)之特 性区域中
8Hale Waihona Puke Baidu
输出滤波器作用
因此,加入电容器C至电路中,则可大 大减少电感器之尺寸,更可有效达到 滤波之作用
所以,在实际应用中通常是采用LC滤 波方式
稳态分析假设条件
通常,输出滤波器的转角频率(corner frequency) 远小于变换器的开关频率 (switching frequency)
即输出电压上开关频率的纹波电压非 常小,于是在电容器C上之电压可近似 为恒值
基本
4
---dc/dc变换基本电路拓扑
降压式
+ L1 C1
Ui
s
L2
C2
D+
+ RL
-
-
(d)
CUK
升压式
+s
Ui
-
D
+
C
L
+ RL
-
(c)
升/降压式
Zeta
SEPI5 C
一.降压式变换器 (Buck Converter)
(1)电路构成 Q ,D, L, C四个元件 Q为全控型半导体器件
假设: Ui为理想直流电压源; C很大,UO为直流电压; 器件为理想的
联立以上各式:
iL (Ts )
=
iL (o)
+
1 L
(VI
−Vo )DTs
+
1 L
(−Vo )(1−
d )Ts
(VI −Vo )DTs = Vo (1− D)Ts
化简:
Vo = D = tON
VI
Ts
稳态工作特点
稳态时储能元件一个开关周期具有以下特点:
电感L:电流变化量/伏秒面积为零 电容C:电压变化量/安秒面积为零 变压器:磁通变换量/伏秒面积为0 能量守恒原则:储能能量=释放能量
不过对降压型变换器而言,一般都工作在连续 导通模式方可获得较好之输出性能。
13
一.降压式变换器
(2)基本工作原理
Q管导通期间(Ton)状态1:Uce=0, UA=Ui,D OFF,L储能,iL增大
Q管OFF期间(Toff)(状态2):UD=0,UA=0, 斩波(chopper) Uce=Ui,L释能,iL减小