直流開關(guān)電源的拓撲結(jié)構(gòu)

開關(guān)電源可分為直流開關(guān)電源和交流開關(guān)電源，是按輸出來區(qū)分的，交流開關(guān)電源輸出的是交流電，而直流開關(guān)電源輸出的是直流電，這里介紹的是直流開關(guān)電源。隨著相關(guān)元器件的發(fā)展，直流開關(guān)電源以其高效率在很多場合代替線性電源而獲得廣泛應用。

直流開關(guān)電源與線性電源相比一般成本較高，但在有些特別場合卻更簡單和便宜，甚至幾乎只能用開關(guān)電源，如升壓和極性反轉(zhuǎn)等。直流開關(guān)電源還可分為隔離的和不隔離的兩種，隔離的是采用變壓器來實現(xiàn)輸入與輸出間的電氣隔離，變壓器還便于實現(xiàn)多路不同電壓或多路相同電壓的輸出。

直流開關(guān)電源結(jié)構(gòu)復雜，設計和分析都有較特別的一套理論和方法，這里主要介紹6種基本的不隔離的直流開關(guān)電源結(jié)構(gòu)形式和其特點，便于依據(jù)應用場合來選擇使用。

理想假定：為便于分析，常假定存在如下理想狀態(tài)

1. 電子器件理想：電子開關(guān)管Q和D的導通和關(guān)斷時間為零，通態(tài)電壓為零，斷態(tài)漏電流為零

2. 電感和電容均為無損耗的理想儲能元件，且開關(guān)頻率高于LC的諧振頻率

3. 在一個開關(guān)周期內(nèi)，輸入電壓Vin保持不變

4. 在一個開關(guān)周期內(nèi)，輸出電壓有很小的紋波，但可認為基本保持不變，其值為Vo

5. 不計線路阻抗

6. 變換器效率為100%

一、Buck變換器：也稱降壓式變換器，是一種輸出電壓小于輸入電壓的單管不隔離直流變換器。

圖中，Q為開關(guān)管，其驅(qū)動電壓一般為PWM(Pulse width modulation脈寬調(diào)制)信號，信號周期為Ts，則信號頻率為f=1/Ts，導通時間為Ton，關(guān)斷時間為Toff，則周期Ts=Ton+Toff，占空比Dy= Ton/Ts。

Buck變換器有兩種基本工作方式：

CCM(Continuous current mode)：電感電流連續(xù)模式，輸出濾波電感Lf的電流總是大于零

DCM(Discontinuous current mode)：電感電流斷續(xù)模式，在開關(guān)管關(guān)斷期間有一段時間Lf的電流為零

1.1 CCM時的基本關(guān)系：

1.2 DCM時的基本關(guān)系：

DCM可分為兩種典型情況：

輸入電壓Vin不變，輸出電壓Vo變化，常用作電動機速度控制或充電器對蓄電池的恒流充電

輸入電壓Vin變化，輸出電壓Vo恒定，即普通開關(guān)穩(wěn)壓電源

1.3 電感電流臨界連續(xù)的邊界：

1.3.1 輸入電壓恒定不變時：Vin=const

可畫出Buck變換器在Vin=const時的外特性曲線：

圖中虛線為電感電流臨界連續(xù)的邊界，內(nèi)部為電流斷續(xù)區(qū)，外面為電流連續(xù)區(qū)。

理想情況下，在電流斷續(xù)區(qū)輸出電壓僅由占空比Dy確定。實際電路中，因元器件的非理想化，在電感電流的連續(xù)區(qū)，Buck變換器的外特性也是下降的，即Io加大，Vo降低。為保持Vo不變，在Io增加時，要適當加大占空比Dy。

1.3.2 輸出電壓恒定不變時：Vo=const

可畫出Buck變換器在Vo=const時的標幺特性曲線：

圖中虛線為電感電流臨界連續(xù)的邊界，右上方為電流連續(xù)區(qū)，左下為電流斷續(xù)區(qū)。

在電感電流臨界連續(xù)時，若加大負載，則進入電流連續(xù)工作區(qū)；減小負載，則進入電流斷續(xù)區(qū)。

若負載不變，減小輸入電壓Vin，為使Vo不變，應加大Dy，也進入電流連續(xù)區(qū)。

二、Boost變換器：也稱升壓式變換器，是一種輸出電壓高于輸入電壓的單管不隔離直流變換器。

開關(guān)管Q也為PWM控制方式，但最大占空比Dy必須限制，不允許在Dy=1的狀態(tài)下工作。電感Lf在輸入側(cè)，稱為升壓電感。Boost變換器也有CCM和DCM兩種工作方式。

2.1 CCM時的基本關(guān)系：

Q導通時為電感Lf儲能階段，此時電源不向負載提供能量，負載靠儲于電容Cf的能量維持工作；Q關(guān)斷時，電源和電感共同向負載供電，此時還給電容Cf充電。變換器必須接負載，不然會因能量不斷送到負載端而使Vo不斷升高而損壞。