開關電源Buck-Boost變換器原理

 

工作原理簡單介紹下

1.在管子打開的時候，二極管D1反向偏置關斷，電流is流過電感L，電感電流iL線性上升，儲存能量！

2.當管子關斷時，電感電流不能突變，電感兩端電壓反向為上負下正，二極管D1正向偏置開通！給電容C充電及負載提供能量！

3.接著開始下個周期！

從上面工作可以看出，Buck-Boost變換器是先儲能再釋放能量，VS不直接向輸出提供能量，而是管子打開時，把能量儲存在電感，管子關斷時，電感向輸出提供能量！

根據電流的流向，可以看出上邊輸出電壓為負輸出！

根據伏秒法則

vin*ton=vout*toff

ton=T*D

toff=T*(1-D)

代入上式得

vin*D=vout*(1-D)

得到輸出電壓和占空比的關系vout=vin*D/(1-D)

看下主要工作波形

 

 

從波形圖上可以看出，晶體管和二極管D1承受的電壓應力都為Vs+Vo（也就是vin+vout）；

再看最后一個圖，電感電流始終沒有降到0，所以這種工作模式為電流連續模式（ccm模式）。

如果再此狀態下把電感的電感量減小，減到一定條件下，會出現這個波形！

 

 

從上圖可以看出，電感電流始終降到0后再到最大，所以這種模式叫不連續模式（DCM模式）。

把上邊的Buck-Boost變換器的開關管和續流管之間加上一個變壓器就會變成反激變換器！

 

 

還是和上邊一樣，先把原理大概講下：

1.開關開通，變壓器初級電感電流在輸入電壓的作用下線性上升，儲存能量。變壓器初級感應電壓到次級，次級二極管D反向偏置關斷。

2.開關關斷，初級電流被關斷，由于電感電流不能突變，電感電壓反向（為上負下正），變壓器初級感應到次級，次級二極管正向偏置導通，給C充電和向負載提供能量！

3.開始下個周期。以上假設C的容量足夠大，在二極管關斷期間（開關開通期間）給負載提供能量!

 咱先看下在理想情況下的VDS波形

 

 

上面說的是指變壓器和開關都是理想工作狀態！

從圖上可以看出Vds是由VIN和VF組成，VIN大家可以理解是輸入電壓，那VF呢？

這里我們引出一個反激的重要參數：反射電壓即VF，指次級輸出電壓按照初次級的砸比反射到初級的電壓。可以用公式表示為VF=VOUT/(NS/NP),（因分析的是理想情況，這里我們忽略了整流管的管壓降，實際是要考慮進去的）

式中VF為反射電壓；

VOUT為輸出電壓；

NS為次級匝數；

NP為初級匝數。

比如，一個反激變換器的匝比為NP:NS=6：1，輸出電壓為12V，那么可以求出反射電壓VF=12/（1/6）=72V。

上邊是一個連續模式（CCM模式）的理想工作波形。

下面咱在看一個非連續模式（DCM模式）的理想工作波形

 

從圖上可以看出DCM的Vds也是由VIN和VF組成，只不過有一段時間VF為0，這段時候是初級電流降為0，次級電流也降為0。

那么到底反激變化器怎么區分是工作在連續模式（CCM)還是非連續模式（DCM）？

是看初級電感電流是否降到0為分界點嗎，NO，反激變換器的CCM和DCM分界點不是按照初級電感電流是否到0來分界的，而是根據初次級的電流是否到0來分界的。

如圖所示

 

 從圖上可以看出只要初級電流和次級電流不同時為零，就是連續模式（CCM)；

只要初級電流和次級電流同時為零，便是不連續模式（DCM）;

介于這倆之間的是過度模式，也叫臨界模式（CRM）。

以上說的都是理想情況，但實際應用中變壓器是存在漏感的（漏感的能量是不會耦合到次級的），MOS管也不是理想的開關，還有PCB板的布局及走線帶來的雜散電感，使得MOS的Vds波形往往大于VIN+VF。類似于下圖

 

 

這個圖是一個48V入的反激電源。

從圖上看到MOS的Vds有個很大的尖峰，我用的200V的MOS，尖峰到了196了。這是尖峰是由于漏感造成的，上邊說到漏感的能量不能耦合到次級，那么MOS關斷的時候，漏感電流也不能突變，所以會產生個很高的感應電動勢，因無法耦合到次級，會產生個很高的電壓尖峰，可能會超過MOS的耐壓值而損壞MOS管，所以我們實際使用時會在初級加一個RCD吸收電路，把尖峰盡可能的吸到最低值，來確保MOS管工作在安全電壓。具體RCD吸收電路圖如下

 

 

 簡單分析下工作原理

1.當開關S開通時，二極管D反騙而截至。電感儲存能量。

2當開關S關斷時，電感電壓反向，把漏感能量儲存在C中，然后通過R釋放掉。細心的朋友可能會發現，當開關關斷的時候，這個RCD電路和次級的電路是一模一樣的，D整流，C濾波。R相當于負載。只不過輸出電壓不是VO，而變成了次級反射到初級的電壓VF。所以，注意了，R的值不能取得太小，太小了損耗嚴重，影響效率。而且電阻的功率會變的很大！

下邊來個加了RCD吸收的波形