降压式DC/DC变换器的拓扑结构/工作原理/特点

描述

降压式DC/DC变换器,简称降压式变换器,英文为BuckConverter,也称Buck变换器,是最常用的DC/DC变换器之一。降压式变换器能将较高的直流电压变换成较低的直流电压,例如将24V电压变换成12V或5V电压。降压式变换器的损耗很小,效率很高,应用领域十分广泛。

降压式DC/DC变换器的拓扑结构降压式DC/DC变换器的拓扑结构如图2-1-1所示。图中U I为直流输入电压,VT为功率开关管,VD为续流二极管,L为输出滤波电感(也称储能电感),C为输出滤波电容,U O 为直流输出电压,R L

为外部负载电阻。脉宽调制器(PWM)用来控制功率开关管VT的导通与关断,是变换器的控制核心。

降压式

图2-1-1 降压式DC/DC变换器的拓扑结构

降压式DC/DC变换器的工作原理降压式DC/DC变换器的功率开关管VT在脉宽调制(PWM)信号的控制下,交替地导通与关断(也称截止),相当于一个机械开关高速地闭合与断开,其工作原理如图2-1-2所示。图2-1-2(a)和图2-1-2(b)分别示出了VT导通和关断时的电流路径,为了便于威廉希尔官方网站 分析,图中用开关S的闭合与断开来代替VT的导通和关断。

当VT导通(即S闭合)时,如图2-1-2(a)所示,续流二极管VD截止,输入电压U I 加到储能电感L的左端,因此L上施加了(U I -U O

)的电压,使通过L的电流I L 线性地增加,电感储存的能量也在增加,电感的感应电动势为左“+”右“-”。在此期间,输入电流(即电感电流I L

)除向负载供电之外,还有一部分给滤波电容C充电,电感电流I L 为电容充电电流I 1 和负载R L 电流I O 的总和。

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图2-1-2 降压式DC/DC变换器的工作原理

当VT关断(即S断开)时,如图2-1-2(b)所示,电感L与U I

断开。由于电感电流不能发生突变,因此在L上就产生左“-”右“+”的感应电压,以维持通过电感的电流I L

不变。此时续流二极管VD导通,储存在L中的磁场能量就转化为电能,经过由VD构成的回路继续向负载供电,电感电流I L 线性地减小。此时,滤波电容C产生放电电流I

2 与电感电流I L 叠加,为负载R L 供电,负载电流I O 为电感电流I L 和电容放电电流I 2 的总和。

小贴示

降压式变换器是在功率开关管导通时向负载传输能量的,属于正激型变换器。

降压式DC/DC变换器的电压及电流波形如图2-1-3所示。PWM表示脉宽调制波形,t ON 为功率开关管VT的导通时间,t OFF

为功率开关管VT的关断时间。T为开关周期,其数值为t ON 与t OFF 之和,即T=t ON +t OFF 。其中t ON

与T的比值称为占空比,用“D”表示,即D=t ON /T。

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图2-1-3

U E 为功率开关管VT的发射极电压波形,I C 为VT的集电极电流波形。I F 为续流二极管VD的电流波形。I L

为滤波电感的电流波形。可以看出,功率开关管VT导通时,其发射极电压U E 等于输入电压U I ;在VT关断时,其发射极电压U E

为零。在功率开关管VT导通期间,电感电流线性增加;在VT关断期间,电感电流线性减小。电感电流I L 是由VT的集电极电流I C 和续流二极管VD的电流I F

叠加形成的。

DC/DC变换器的输出电流I O 为滤波电感电流I L

的平均值。电感电流波形中峰值与谷值之间的差值就是电感纹波电流。为减小输出电流的纹波,L应选得足够大,使DC/DC变换器工作在连续模式。通常纹波电流应为额定输出电流的20%左右。

降压式DC/DC变换器具有以下特点。

① 输出电压U O

② 输出电压U O 与输入电压U I 的极性相同。

③ 功率开关管VT承受的最大电压U CE =U I 。

④ 功率开关管VT集电极的最大电流I C =I O 。

⑤ 续流二极管VD的平均电流I F =(1-D)I O 。

⑥ 续流二极管VD承受的反向电压U R =U I 。

降压式DC/DC变换器可以由分立元件和PWM控制器构成,也可以选择集成威廉希尔官方网站 产品。典型的集成威廉希尔官方网站 产品有LM2576、LM2596、L4960等。其中LM2576的外围威廉希尔官方网站 最简单。

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