开关电源的基本拓扑结构.ppt

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1、开关电源基本拓扑1开关电源基本拓扑结构开关电源基本拓扑2拓扑种类多串联型buck converter并联型boost converter倒极性buck-boost converteruk convertersepic converterzeta converter输入输出不隔离输入输出隔离 正激变换器forward converter 反激变换器fly-back converter 推挽变换器push-pull converter 半桥变换器half-bridge converter 全桥变换器full-bridge converterOverview开关电源基本拓扑3开关电源基本拓扑结构一、

2、串联型buck converter 降压式(Buck)变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换 器。下图给出了它的电路拓扑图。Buck变换器的主电路由开关管Q，二极管 D，输出滤波电感Lf和输出滤波电容Cf构成。开关电源基本拓扑4 Assumptions：1.所用电力电子器件理想，即Q和D的导通和关断时间为0，通态电压为0，断态漏电流为0；2.在一个开关周期中，输入电压Vin保持不变；输出滤波电容电压Vo基本不变，即输出电压只有很小的纹波；3.电感和电容、二极管均为无损耗的理想元件；4.不计线路阻抗。5.在0，Ton期间，Q导通；6.在Ton，Ts期间，Q截止。7.设开关管开

3、关周期为Ts，则Ts=Ton+Toff,开关频率fs1Ts。8.若设占空比为Dy，则Dy=TonTon+Toff。9.改变占空比Dy，即改变了导通时间Ton的长短，这种控制方式称为脉冲宽度调制控制方式(Pulse width modulation，PWM）开关电源基本拓扑5电流连续时的工作模式(CCM)Mode 1Mode 2Fig 1.2注意：注意：电感中的能量的积累、释放经过一个周期电感中的能量的积累、释放经过一个周期后必须回到原来的后必须回到原来的状态！状态！开关电源基本拓扑6Mode 1 0,Ton(1.1)(1.2)电压与时间的乘积代表了能量开关电源基本拓扑7Mode 2 Ton,T

4、s(1.3)(1.4)开关电源基本拓扑8Fundamental relationship(1.5)From(1.2)&(1.4)(1.6)(1.7)(1.8)开关电源基本拓扑9Fig 1.3Mode 1Mode 2Mode 3电流断续时的工作模式(DCM)电流断续时的工作模式的典型情况：输入电压Vin不变，输出电压Vo变化；譬如用作电机速度控制、充电 器对蓄电池恒流充电。输入电压Vin变化，输出电压Vo不变，如普通开关电源。开关电源基本拓扑10电流断续时(DCM)的工作原理(operating principle)及基本关系(1.10)(1.11)(1.12)(1.13)开关电源基本拓扑11电

5、感电流临界连续（TM）(1.14)(1.15)若用IoG表示临界电流连续的负载电流,then(1.16)开关电源基本拓扑12Vin=constant(输入电压恒定)For Vo=Vin Dy,so eq.(1.16)can be reformed as:Fig 1.4 Vin=const开关电源基本拓扑13Vout=constant(输出电压恒定)For Vo=Vin Dy,so eq.(1.16)can be reformed as:Fig 1.5 Vout=const开关电源基本拓扑14湘潭电机股份有限公司150t工矿电机车IGBT直流斩波1500V电压等级主要由IGBT功率组件、微机控制

6、盒及PLC控制单元构成。IGBT功率组件采用3 300V、800A 斩波型IGBT模块作为主功率元件，主元件散热器采用新型风冷热管散热器，一个IGBT功率组件单独驱动一台牵引电机。微机控制盒是装置的核心，配备16位单片机80C196KC开关电源基本拓扑1520 世纪 90年代初进口的上海地铁一号线车辆是由德国制造的，采用门极可关断晶闸管(GTO)斩波直流调速与GTO静止辅助系统，该技术属于当时世界先进水平.中GTO斩波器是由600-800 A/4 500 V GTO构成，将一定范围内1000-1800 V(直流)波动的直流网压进行斩波降压与稳压至775 V(直流).GTO逆变器是由800A/2

7、 500 V GTO组成，将斩波器输出的稳定直流电逆变为三相对称的50 Hz交流电.变压器起着隔离与降压作用，向辅助用电设备提供380V/220 V三相四线交流电源.开关电源基本拓扑16二、并联型boost converter升压式(Boost)变换器是一种输出电压等于或高于输入电压的单管非隔离直流变换 器。下图给出了它的电路拓扑图。Boost变换器的主电路由开关管Q，二极管 D，输出滤波电感Lf和输出滤波电容Cf构成。开关电源基本拓扑结构Lf用于用于储能；储能；是并联是并联变换器变换器能够升能够升压的关压的关键键开关电源基本拓扑17三、倒极性buck-boost converter开关电源基

8、本拓扑结构主电路拓扑和控制方式(Circuit topology and control mode)升降压式(Buck/Boost)变换器是由Buck变换器和Boost变换器串联而成.他将两只开关管合并为一只开关管。图3.1给出了它的电路拓扑图。Buck/Boost变换器的主电路由开关管Q，二极管D，输出滤波电感Lf和输出滤波电容Cf构成。Lf用于储能；用于储能；是倒极性变是倒极性变换器能够工换器能够工作的关键作的关键Fig 3.1 Configuration of Buck/Boost converter main circuit开关电源基本拓扑18电感电流连续时的工作模式(CCM)Mode

9、 1Mode 2Fig 3.2开关电源基本拓扑19Mode 1 0,Ton(3.1)(3.2)电流连续时(CCM)的工作原理(operating principle)开关电源基本拓扑20Mode 2 Ton,Ts(3.3)(3.4)开关电源基本拓扑21Fundamental relationshipFrom(3.2)&(3.4)(3.5)(3.6)(3.7)(3.8)开关电源基本拓扑22电感电流断续时的工作模式(DCM)Fig 3.3Mode 1Mode 2Mode 3开关电源基本拓扑23电流断续时(DCM)的工作原理(operating principle)及基本关系(3.9)(3.10)(

10、3.11)(3.12)(3.13)开关电源基本拓扑24电感电流临界连续(3.14)若用IoG表示临界电流连续的负载电流,then(3.16)设ILfG是临界连续电流电感平均值,then(3.15)开关电源基本拓扑25Vin=constant(输入电压恒定)From eq.(2.14),then the eq.(2.16)and eq.(2.15)can be reformed as:Fig 1.4 Vin=const开关电源基本拓扑26Vout=constant(输出电压恒定)Fig 1.5 Vout=constFrom eq.(2.14),then the eq.(2.16)and eq.(

11、2.15)can be reformed as:开关电源基本拓扑27四、uk converter uk变换器是由Boost变换器和Buck变换器串联而成.他将两只开关管合并为一只开关管。下图中给出了它的电路拓扑图。uk变换器的主电路由开关管Q，二极管D，输出滤波电感L1、L2和输出滤波电容C1、Cf构成。它由加州理工学院（CaliTech）的Slobodan uk 教授于1976年提出的。开关电源基本拓扑结构开关电源基本拓扑28CCM模式下的uk变换器开关电源基本拓扑29电量计算开关电源基本拓扑30五、Sepic converterSepic变换器是由Boost变换器和Buck/Boost变换

12、器串联而成.他将两只开关管合并为一只开关管。下图中给出了它的电路拓扑图。Sepic变换器的主电路由开关管Q，二极管D，输出滤波电感L1、L2和输出滤波电容C1、Cf构成。开关电源基本拓扑结构开关电源基本拓扑31六、Zeta converter Zeta变换器是由Buck/Boost变换器和Buck变换器串联而成.他将两只开关管合并为一只开关管。下图中给出了它的电路拓扑图。Zeta变换器的主电路由开关管Q，二极管D，输出滤波电感L1、L2和输出滤波电容C1、Cf构成。开关电源基本拓扑结构开关电源基本拓扑32Forward converter 是在Buck converter 中插入一个trans

13、former 得到的.特点:1.电路比较简单,铜耗较低;2.输出电压电流纹波较小;3.变压器磁芯单边磁化;4.开关管峰值电流较低;5.变压器是个纯粹的变压器;6.变压器铁芯不必加气隙;但在有的铁芯中为了减少Br,需加很小的气隙.开关电源基本拓扑结构七、Forward converter 开关电源基本拓扑33双管单端正激式变换器双管单端正激式变换器开关电源基本拓扑34由buck-boost推演而得.特点:1.电路简单,效率高;2.输出电压纹波较大;3.处理功率在150W以下;4.应用于电压和负载调整率 要求不高的场合(6-10%);5.小功率多组输出特别有效;6.变压器工作原理与其他类型 的隔离

14、变换器不同;7.变压器铁芯必须加气隙.开关电源基本拓扑结构八、fly-back converter防止储能过程中变压器饱和开关电源基本拓扑35开关电源基本拓扑结构九、push-pull converterA.特点：1、磁芯利用率高；2、存在铁芯偏磁；3、器件承受电压高,是2倍的电源电压。开关电源基本拓扑36Push-pull converter(推挽变换器)B.有续流二极管时的工作原理开关电源基本拓扑37Push-pull converter(推挽变换器)C.无续流二极管时的工作原理开关电源基本拓扑38A.特点:1.变压器原边一个线圈,但双边磁化,变压器利用率高;2.变压器原边工作电压为输入电

15、源电压的一半;3.分压电容C1和C2能自动消除变压器的直流偏磁;4.原边存在电压短路的可能性.开关电源基本拓扑结构十、half-bridge converter开关电源基本拓扑39B,基本工作原理BSB=2BmBm-BmIm(max)-Im(max)开关电源基本拓扑40C,考虑变压器漏感时的工作原理BSB=2BmBm-BmIm(max)-Im(max)复位电压和占空比丢失复位电压和占空比丢失开关电源基本拓扑41D.变压器原边线圈与输入端电 流电压关系(1)(2)由(1)得UP,IP(3)VinUSCfD是开关工作的占空比开关电源基本拓扑42E.变压器副边线圈与输出端 电流电压关系US,ISVi

16、nUSCf(4)由(4)得,(5)(6)开关电源基本拓扑43F.磁通复位与偏磁VinUSCfBSB=2BmBm-BmIm(max)-Im(max)1,磁通复位BSB=2BmBm-BmIm(max)-Im(max)UP,IP开关电源基本拓扑44G.磁通复位与直流偏磁VinUSCf2,直流偏磁与防止措施BSB=2BmBm-BmIm(max)-Im(max)UP,IPUP,IPC1C2开关电源基本拓扑45开关电源基本拓扑结构十一、full-bridge converterA.特点特点:1.变压器原边一个线圈,但双边磁化,变压器利用率高;2.变压器原边工作电压为输入电源电压;3.存在直流偏磁问题;4.原边存在电压短路的可能性.开关电源基本拓扑46全桥变换器的控制方式1、双极性控制（对管PWM方式导通）2、有限双极性控制（一边桥臂PWM，一边轮流导通半周期）3、移相控制（导通角都是半周期180）开关电源基本拓扑47B.有续流二极管时的工作原理开关电源基本拓扑48C.无续流二极管时的工作原理开关电源基本拓扑49D、防止偏磁的一种简单方法分析电容分析电容Cm的作用。如果脉冲信号再开关正负半周不相同，察看的作用。如果脉冲信号再开关正负半周不相同，察看Cm上电压的情况。上电压的情况。开关电源基本拓扑50总结开关电源基本拓扑51实用占空比实用占空比