1、開關電源基本拓撲1開關電源基本拓撲結構開關電源基本拓撲2開關電源基本拓撲結構一、串聯型buck converter 降壓式(Buck)變換器是一種輸出電壓等于或小于輸入電壓的單管非隔離直流變換器。Buck變換器的主電路由開關管Q，二極管D，輸出濾波電感Lf和輸出濾波電容Cf構成。開關電源基本拓撲3電流連續時的工作模式 (CCM)Mode 1(Q導通）Mode 2 (Q關斷）開關電源基本拓撲4Mode 1(Q導通）Mode 2 (Q關斷）Mode 3 (Q關斷，負載由電容供電）電流斷續時的工作模式 (DCM)開關電源基本拓撲5電流連續時(CCM)的工作原理 Assumptions： 1. 所用電

2、力電子器件理想，即Q和D的導通和關斷時間為0，通態電壓為0，斷態漏電流為0； 2. 在一個開關周期中，輸入電壓Vin保持不變；輸出濾波電容電壓，即輸出電壓雖然有小的紋波，但可認為基本保持不變，其值為Vo； 3. 電感和電容均為無損耗的理想儲能元件； 4. 不計線路阻抗。 5. 在0，Ton期間，Q導通； 6. 在Ton，Ts期間，Q截止。 7. 設開關管開關周期為Ts，則Ts=Ton+Toff, 開關頻率fs1Ts。 8. 設占空比為Dy，Dy=TonTs。 9. 改變占空比Dy，即改變了導通時間Ton的長短，這種控制方式稱為脈沖寬度調制控制方式(Pulse width modulation，

3、PWM）開關電源基本拓撲6Mode 1 0, TonfoinLfLVVdtdi(1.1)ysfoinonfoinLfDTLVVTLVVi)(1.2)oLfcfIiicfi0I0vLfi開關電源基本拓撲7Mode 2 Ton, TsfoLfLVdtdi(1.3)1 ()(ysfoofffoLfDTLVTLVi(1.4)cfi開關電源基本拓撲8Fundamental relationshipLfLfLfiii)()(1.5)From (1.2 ) & (1.4)yinoDVV(1.6) 2221sLfTiQ2maxmin0LfLfIII(1.7)28)1 (sffoyfofCLVDCQV(1.8)

4、LfoiESRV(1.9)開關電源基本拓撲9Mode 1(0,Ton)Mode 2 (Ton ,Tdis)Mode 3 (Tdis,Ts)電流斷續時的工作模式 (DCM)開關電源基本拓撲10電流斷續時(DCM)的工作原理及基本關系ysfoinonfoinLfDTLVVTLVVisoffsfoofffoLfTTDwhereDTLVTLVi(1.10)(1.11)DDDVVyyino(1.12)(1.13)(21)(21maxmaxDDITTITIyLfonLfsooff開關電源基本拓撲11電感電流臨界連續syfoinLfTDLVVImax(1.14)(1.15)若用IoG表示臨界電流連續的負載電

5、流, 則ysfoinoGDfLVVI2max21LfoGII(1.16)由于開關電源基本拓撲12 湘潭電機股份有限公司工礦湘潭電機股份有限公司工礦IGBT直流斬波車直流斬波車 電壓等級1500V，主要由IGBT功率組件、微機控制單元構成。IGBT功率組件采用3300V/800A IGBT模塊作為主功率元件，主元件散熱器采用風冷熱管散熱器，一個IGBT功率組件單獨驅動一臺牽引電機。 微機控制盒的核心，配備為16位單片機80C196KC。吸收電路開關電源基本拓撲13 上海地鐵一號線車輛輔助電路系統上海地鐵一號線車輛輔助電路系統 （90年代初德國制造、當時世界先進水平） 800A/4500 V GT

6、O斬波器將直流1500 V進行斬波降壓至直流775V，經800A/2500V GTO逆變器逆變為三相對稱的50 Hz交流電。變壓器起著隔離與降壓作用，向輔助用電設備提供380V/220 V三相四線交流電源。開關電源基本拓撲14二、并聯型boost converter 升壓式(Boost)變換器是一種輸出電壓等于或高于輸入電壓的單管非隔離直流變換器。Boost變換器的主電路由開關管Q、二極管 D、濾波電感Lf和濾波電容Cf構成。開關電源基本拓撲結構開關電源基本拓撲15Mode 1(Q導通）Mode 2(Q關斷）電流連續時的工作模式 (CCM)開關電源基本拓撲16Mode 1(Q導通）Mode 2

7、(Q關斷）電流斷續時的工作模式 (DCM)Mode 3(Q關斷，負載由電容供電）開關電源基本拓撲17電流連續時(CCM)的工作原理Mode 1 0, TonfinLfLVdtdiysfinonfinLfDTLVTLVi)(開關電源基本拓撲18電流連續時(CCM)的工作原理Mode 2 Ton, TsfinLfLVVdtdi0)1 ()(00)(ysfinonsfinLfDTLVVTTLVVi開關電源基本拓撲19yinoDVV11Fundamental relationshipyinoDII1忽略變換器的損耗oDIIoyyoinQIDDIII1sfoyyyoLfiLDQTLVDDDIiIIII2

8、)1 (121maxmaxmaxoDQVVVQ和D截止時管電壓：開關電源基本拓撲20Fundamental relationshipsyoTDIQ QfsyofoCTDICQVsyTDoIosyofVTDICoIcfi開關電源基本拓撲21Mode 10, Ton Mode 2Ton, Tdis 電流斷續時的(DCM)的工作原理Mode 3Tdis, Ts 開關電源基本拓撲22電流斷續時(DCM)的工作原理soffsfinoofffinoLfTTDwhereDTLVVTLVVisyfinlfLfTDLVIimaxDDDVVyinoFundamental relationship開關電源基本拓撲2

9、3若用IoG表示電流臨界連續的負載電流, 則syyfinyLfGoGTDDLVDII)1 (2)1 (syfinLfLfGTDLVII221max電感電流臨界連續maxLfLfIiyinoDII1由于設ILfG是臨界連續電感電流平均值, then開關電源基本拓撲24Boost 升壓電路在固體激光電源中的應用升壓電路在固體激光電源中的應用光 學 與 光 電 技 術2003 年4 月 華中科技大學(軍用光電技術) 激光電源用24 28V 的蓄電池供電激光器需要800 900V 的高壓觸發點燃氙燈。所以必須用升壓電路將24 28V的電壓升到800 900V 。在主電路中采用了Boost 升壓電路。2

10、4 28V800 900V開關電源基本拓撲25三、倒極性buck-boost converter開關電源基本拓撲結構 升降壓式(Buck/Boost)變換器輸出電壓可低于或高于輸入電壓。下圖給出了它的電路拓撲圖。Buck/Boost變換器的主電路由開關管Q，二極管D，輸出濾波電感Lf和輸出濾波電容Cf構成，其輸出電壓極性與輸入電壓極性相反。開關電源基本拓撲26電感電流連續時的工作模式 (CCD)Mode 1Mode 2開關電源基本拓撲27Mode 1 0, TonfinLfLVdtdiysfinonfinLfDTLVTLVi)(3.1)(3.2)電流連續時(CCM)的工作原理(operatin

11、g principle)開關電源基本拓撲28Mode 2 Ton, TsfoLfLVdtdi)1 ()(ysfoofffoLfDTLVTLVi(3.3)(3.4)開關電源基本拓撲29Fundamental relationshipLfLfLfiii)()(From (3.2 ) & (3.4)yyinoDDVV1(3.5)(3.6) yinyoyyinLfDIDIIIDDIII11000yoyinoinDQDVDVVVVV1fosyfoCITDCQV(3.7)(3.8)開關電源基本拓撲30電感電流斷續時的工作模式 (DCD)Fig 3.3Mode 1Mode 2Mode 3開關電源基本拓撲31

12、電流斷續時(DCM)的工作原理(operating principle) 及基本關系ysfinonfinLfLfDTLVTLVIimax）（soffsfoLfLfTTDwhereDTLVIimax（）(3.9)(3.10)DDVVyino(3.11)20max221DfLVDIIIsfLfDo(3.12)開關電源基本拓撲32電感電流臨界連續(3.14)若用IoG表示臨界電流連續的負載電流,)1 (GyLfoGDII(3.16)設ILfG是臨界連續電感電流平均值, thensyfinLfLfGTDLViI221maxyoLfDII1于是由于(3.15)開關電源基本拓撲33鞍 山整 流 成套設備有

13、限公司全數字控制Boost-Buck DC/DC變換器的應用 給220V直流 屏 中 的直流母線供電。輸入來自蓄電池兩端，由于蓄電池在循環充放電過程中，其端電壓的波動范圍在0.8一1.2E (E=220V為蓄電池額定電壓)，影響母線所掛設施的正常運行。詳情參考電力電子技術2001年第2期。開關電源基本拓撲34電動客車直流電機驅動雙向升降壓變換器的研究哈爾濱工業大學 超級電容器供電的工作電壓變化很大(約50)，不利于保證車輛動力性能和行駛速度的穩定。開關電源基本拓撲35牽引模式下，開關管S2始終阻斷，僅由開關管S1進行牽引控制制動過程中，開關管S1始終阻斷，僅由開關管S2進行制動控制開關電源基本

14、拓撲36 超級電容器是20世紀70年代未出現的一種新產品，它的研制成功是儲能設備(蓄電池)的一次革命， 它的充放電效率高達98。 超級電容器電容量由微法拉級提高到法拉級，出現了l00000120000F的超級電容器，從此超級電容器開始進入電池應用市場，出現了超級電容器電動車的新概念，它以其優異的性能，改變了人們的傳統認識，建立了全新的交通運輸電動車的設計思想。 開關電源基本拓撲37 哈爾濱工業大學研制成功一款超級電容電動車，一次只需充電15分鐘便能連續行駛25公里，最高時速可達52公里，2006年7月鑒定。超級電容器由哈爾濱市人和集團巨容新能源有限公司生產。該車無噪音、零排放、對環境無污染。開

15、關電源基本拓撲38新型大容量儲能元件一超級電容在變頻器中應用新型大容量儲能元件一超級電容在變頻器中應用 若用1F400V的電容器C， 充滿電時所儲的能量為W =(12)CUU=12 (400) =80000=80(KJ)式中U 為電容上的電壓。所儲能量十分可觀。可將這種器件用來處理再生能量。選用合適容量、合適耐壓的超級電容器作為再生能量的存儲器， 電機進入發電狀態后，母線電壓上升，這時為電容充電，使母線電壓下降。當再生發電過程結束、母線電壓回落到安全值時， 讓大電容向母線放電，將存儲在電容上的電能再回饋到母線上去。 超級電容壽命 十年以上， 而且免維護。此外在移動通信中的應用在移動通信設備中和

16、智能儀表中可用作電源。開關電源基本拓撲39Buck ConverterBoost Converter Buck-Boost Converter開關電源基本拓撲40四、Cuk converter Cuk變換器是由Boost變換器和Buck變換器串聯衍變而成。下圖中給出了它的電路拓撲圖。Cuk變換器的主電路由開關管Q，二極管D，輸出濾波電感L1、L2和輸出濾波電容C1、Cf構成。它由加州理工學院（CaliTech）的Slobodan Cuk 教授于1976年提出的。 L1 和L2繞在同一個磁芯上，存在互感。開關電源基本拓撲結構開關電源基本拓撲41Mode 1（L1和L2能量增加）Mode 2（L1和L2能量釋放）開關電源基本拓撲42L1 和L2繞在同一個磁芯上，互感M，耦合系數12MKL L022(1)ysLeVD TiL 11inysLeV D TiL21211 (/)ekLM L222111 (/)ekLLM L01yinyDVVD經推導，開關電源基本拓撲43五、Sepic converter Sepic變換器是由Boost變換器和Buck/Boost變換器串聯衍變而成. 它將兩只開關管合并為一只開關管。下圖中給出了它的電路拓撲圖。Sepic變換器的主電路由開關管Q，二極管D，輸出濾波電感L1、L2和輸出濾波電容C1、Cf構成。開關電源基本拓撲結