DC/DC 转换器电路分析实例

出处:维库电子市场网时间:2024-01-24
  DC/DC 转换器是工业应用中电力电子和能源驱动研究的一个重要方面。为了满足多种应用的需求,重要的是根据要求来实现它们并了解电路行为的细微差别[1]。电压和电流关系决定平衡期间转换器电路的设计。影响这些值的因素有很多,包括电容器中的电压纹波、电感器引起的电流纹波、平衡状态等。  一些基本的DC-DC变换器的电路图如图1所示。如果我们仔细观察这些电路,它们大多由半导体开关二极管、电感器、电容器和直流电源等基本电气元件组成。这些电路中这些基本元件的排列和数量不同,从而产生不同的结果。电路分析的一般策略是创建并求解独立方程组,以确定设计条件或求解基本变量。它还可以定义为确定电路中每个元件的电压和电流 [2]。

  图 1. 基本 DC-DC 转换器电路图。EETech 的形象财产
  电路分析实例
  根据流经电感器的电流,DC/DC 转换器的运行可以分为两种不同的模式 [3]。当电感器电流始终大于零时,称其工作在连续导通模式 (CCM) 下。在平均电感器电流由于低开关频率或高负载电阻而较低的情况下,转换器被认为在不连续导通模式(DCM)下运行。
  重要的是要知道 CCM 是转换器的工作模式,因为它具有提高效率、减少无源器件元件数量以及有效利用半导体开关等优点。DCM 中的转换器操作稍微复杂一些,并且需要动态控制。这就需要确定电感器的值,以便维持 CCM 模式下的运行。
  为了简化电路分析的复杂性,进行了一些近似。这包括假设负载本质上是电阻性的,并且输出电压的直流分量是无纹波的。此外,在大多数情况下,电感器和电容器被认为是纯的,尽管它涉及小纹波近似。  考虑降压-升压转换器的示例。从图 2 可以明显看出,输出电压的极性与输入电压的极性相反。考虑到电容器在半导体开关导通之前已完全充电,显然,一旦开关导通,开关两端的电压就等于电感器两端的电压。此外,输出电压与电容器两端的电压相同。一旦开关关闭,电感器和电容器两端的电压大小相等,但极性相反。

  图 2.  (a) 开关打开和 (b) 开关关闭时的降压-升压转换器电路图。EETech 的形象财产
  降压-升压转换器的关键电压和电流波形如图 3 所示。仔细观察这些波形,可以通过电流值和值的差异来确定开关导通时电感器电流的上升。类似地,当开关不导通时,电感器电流的下降由和电感器电流值的差确定。输入和输出电压之间的关系如下: VO=D/(1?D).VS  

    其中 D 是占空比。

  图 3. 降压- 升压转换器的输入电流、二极管电流、电感器电流和电感器两端电压的波形。EETech 的形象财产
  此外,基于电感器电流的方程以及该值必须为零以维持 CCM 操作的事实,可以估计电感的值。需要注意的是,当占空比小于 0.5 时,降压升压转换器充当降压转换器,而当占空比大于 0.5 时,它充当升压转换器。当占空比恰好为0.5时,输出电压值与输入电压值相同。
  要点
  电路分析是理解实现和转换器输出的一个关键方面,因为它涉及通过计算来研究各种电量,例如节点电压和环路电流。
  电路分析的一般策略是创建并求解独立方程组,以确定设计条件或求解基本变量。
  CCM 是转换器的操作模式,因为它具有提高效率、减少无源器件元件数量以及有效利用半导体开关等优点。
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