隔离型Cuk变换器电路如下所示:
图2-10:隔离型Cuk变换器
当S导通时,Ui对L1充电。当S断开时,Ui+EL1对C11及变压器原边放电,同时给C11充电,电流方向从上向下。附边感应出脉动直流信号,通过VD对C12反向充电。在S导通期间,C12的反压将使VD关断,并通过L2、C2
滤波后,对负载放电。
这里的C12明显是用于传递能量的,所以Cuk电路是电容传输变换电路。 6.电流变换器
能量回馈型电流变换器电路如下图所示。
图2-11:能量回馈型电流变换器电路
该电路与推挽电路类似。不同的是,在主通路上串联了一个电感。其作用是在S1、S2断开期间,使得变压器能量转移到N3绕组,通过VD3回馈到输入端。下面是升压型变换器的电路图:
L1 C11 T C12 L2 Ui S N1 N2 C2 VD R Uo
S2 VD3 Ui N3 N4 S1 N1 T VD1 N2 N1 N2 C R Uo
VD2
S2 N1 T Ui L S1 N1 VD1 N2 N2 C 11 R Uo
VD2
图2-12:升压型电流变换器电路
该电路也与推挽电路类似,并在主通路上串联了一个电感。在开关导通期间,L积蓄能量。当一侧开关断开时,电感电动势和Ui叠加在一起,对另一侧放电。因此,L有升压作用。 三.准谐振型变换器
在脉冲调制电路中,加入R、L谐振电路,使得流过开关的电流及管子两端的压降为准正弦波。这种开关电源成为谐振式开关电源。
利用一定的控制技术,可以实现开关管在电流或电压波形过零时切换,这样对缩小电源体积,增大电源控制能力,提高开关速度,改善纹波都有极大好处。所以谐振开关电源是当前开关电源发展的主流技术。又分为:
1.ZCS——零电流开关。开关管在零电流时关断。 2.ZVS——零电压开关。开关管在零电压时关断。
2.2 PWM和Boost型开关电源的工作原理
PWM开关电源是让功率管工作在导通和判断状态,在这两种状态中, 加在功率管上的伏-安乘积总是很小的(在导通时,电压低,电流大;判断时,电压高,电流小).功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗. 与线性电源相比,PWM开关电源更为有效的工作过程是通过"斩波",即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的.脉冲的点空比由开关电源的控制器(控制IC)来调节.一旦输入电压被斩成交流方波,其幅值就可以通过变压器来升高或降低.通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数.最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压.
控制器的主要作用有两个:①提供固定的频率脉冲给功率管;②通过输出反馈电压给误差放大器来调节点空比,来保持输出电压的稳定.
开关电源有两种基本拓扑:升压式(BOOST)变换器,降压式(BUCK)变换器.尽管它们各部分元件分布位置差别很小,但是工作过程相差甚大,在特定的应用场合各有优点.
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升压式(BOOST)变换式的工作原理:
BOOST升压电路,开关管导通时,电流环路仅包括电感、功率管、输入电压源.在这段时间内,二极管是反向阻断的.电感电流波形是以固定斜率线性上升的,可用下式描述:
iL(ton) = Vinton / L;
在这个阶段,能量存储在电感铁心中.开关管关断时,由于电感中的电流不能突变,于是二极管立刻正向导通.这时,电感电流不能突变,于是二极管立即导通.这时,电感与开关相连端的电压被输出晓以大义钳位,这个电压被称作反激电压,爱迪生幅值是输出电压加上二极管的正向导通压降.在开关管关断这段时间里,电感上的电流用下式表示:
iL(toff) = Ipk – (Vout – Vin) toff / L
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如果在下个周期之前,铁心中的磁通完全为零,就称电路工作在电流断续模式.电流和电压波形如图(c)所示.如果铁心中的磁通没有完全降为零,还有一部分剩磁,就称电路工作在电流连续模式,波形如图(b).由于升压式变换器工作在电流连续模式下存在固有的不稳定问题,所以升压式变换器通常工作在电流断续模式.
Boost变换器工作在电流断续模式下,存储在电感中的能量为: Estored = 1/2 LIpk2
单位时间内,传输的能量必须满足负载连续功率消耗的需求.这就意味着在开关管导通期间,存储的能量要足够大,即电流峰值Ipk要满足下式的要求:
Pload < Pout = fsw * 1/2 LIpk2 fsw为变换器的开关频率.
Boost变换器只能用于升压情况,也就是说输出电压必须高于输入电压的最大幅值,在所有的拓扑中,升压式电路输入电压动态范围最宽.由于升压变换器中峰值较高,因此只适合于功率不大于150W的应用场合.在所有拓扑中,这类变换器所用的元器件最少,因而在中小功率的应用场合中很流行.
3、Boost型开关电源的设计
3.1 Boost型开关电源设计的系统原理图
图一
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如图一,该电源工作原理如下:该电路输入交流电压为18V,然后通过输入整流滤波电路之后再到Boost型变换器电路,此Boost型变换器电路中也包含了滤波器,目的是为了除去在输出电压中的交流部分,而在Boost型变换器电路中的电阻则采用变位器R(20K),这是为了实现输出可调直流电压。同时开关管则采用耐高压,导通电阻很小的MOSFET管IRF640 (IRF640承受的最大电压值为200V,承受的最大的电流值为10A)。另外此设计采用UC3842作为PWM控制芯片。它只需要很少的外部元件就可获得低成本高效益的解决方案。
3.2 输入整流滤波电路设计
图二
输入整流滤波电路如图二,包括输入交流滤波、整流、电容滤波三部分。交流滤波主要是滤除交流输入端的共模干扰和差模干扰,其中X2是安规电容,是为了去除差模干扰,L1(3.3mH)是共模电感也叫扼流圈,采取双线并绕,是为了去除共模干扰。整流电路一般选用满足电流阀值的整流桥,输入滤波电容的容量与电源效率、输出功率密切相关。一般对于宽范围输入的开关电源,滤波电容可按比例系数来选取。此外,输入滤波电容的容量大小还决定着直流高压的数值。另外加上电阻R1(800k),这是为了避免断电之后,C1(1000uF)会储存一定的电流,利用电阻R1(800k)把电路多余的电流给吸收掉。
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