【电赛公开课】模拟电路基础知识讲座_第37课时_其他斩波电路

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查看: 15701回复: 10 发表于 2019-5-21 09:55:59   只看该作者
关于电赛公开课
《模拟电路基础知识讲座》由 TI 邀请青岛大学傅强老师录制,深入浅出的介绍了模拟电路及电源相关的基础知识,帮助大家由浅入深地了解产品,更轻松的进行产品的选型和设计。
本课程共计80节视频内容,视频解析文字课40节,每周二、周四更新,欢迎同学观看学习。

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本节文字课程相关视频:
1. 升降压斩波电路
2. Cuk、Sepic、Zeta斩波电路

1升降压斩波电路
学完了降压电路和升压电路,就该轮到升降压电路了。每一个有志青年都会有这样的想法,Buck 电路和 Boost 电路前后级联不就是既能降压又能升压的电路了吗?确实升降压电路也称为 Buck-Boost 电路,但煞有其事的推导如何将 Buck 和 Boost 级联电路化简为升降压电路就属于“误人子弟”了。升降压电路其实是由 Boost 电路单独演化而来,和 Buck 电路并无关系。
在分析 Boost 电路原理时,用到了如图1所示的高压产生电路与峰值保持电路。
1) 开关SW1断开时,UL的电压方向是帮助V1维持电流,所以与V1方向相同。也就是从AB两点引出电压肯定是升压的(比V1高)。将AB分别与EF对接,就顺理成章的构成了 Boost 升压电路。

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图1 高压产生电路与峰值电压保持电路

2) 如果我们不从AB将电压取出,而是直接提取电感上电压,就不一定是升压电路了。如图2所示,将峰值电压采样电路竖着放置,拟将CE相连、AF相连。

2.jpg
图2 升降压电路雏形一

3) 进一步分析发现,当SW1断开后,电感电流方向是从C至A。如图2那样连接,D1二极管会挡住电感对C1充电。所以,峰值电压保持电路的方向应镜像一下,如图3所示。

3.jpg
图3 升降压电路雏形二

4) 将图3所示电路FC相连、AE相连,并“放倒”,就得到图4所示电路。

4.jpg
图4 升降压电路雏形三

5) 为了使输入输出电压能够“共地”,对图4做一些调整,将SW1和D1都挪到上面。对于开关SW1来说,是控制电源的阴极还是阳极是没有分别的。而D1二极管挪到上面则要相应调换方向。

5.jpg
图5 升降压电路雏形四

对输入输出电压和地进行标注以后,最终得到了图6所示的 Buck-Boost 升降压电路。这个电路是否真的能升降压还不知道,根据图6所示的正方向可以列出电感上电压表达式,通过对电感电压的计算可求出输入输出电压的关系。

6.jpg
图6 Buck-Boost 升降压电路


1) 开关闭合时,Buck-Boost 电路等效电路如图7所示,电感电压表达式为:
7.jpg(1)
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图7 开关闭合时 Buck-Boost 电路的等效电路

2) 开关断开时,Buck-Boost 电路等效电路如图8所示,电感电压表达式为:
9.jpg(2)
10.jpg
图8 开关闭合时 Buck-Boost 电路的等效电路

3) 根据稳态电流连续时,电感两端电压平均值为零可得式3,输出电压由开关通断时间比决定,可升压可降压,而且是负压输出。
11.jpg
12.jpg
13.jpg(3)

刚才我们从理论计算上验证了 Buck-Boos t电路的特性,定性讲道理也可以加以说明。
1) Boost 电路的输出电压公式进行变换可得式4,由两部分组成:UI以及UL。升降压电路取自UL,所以 Buck-Boost 电路UO表达式就应该是式4的形式。
14.jpg(4)
2) 对图8电路分析,开关断开以后,电感L电流应为自上而下,对应就是给滤波电容充下正上负的电压,所以输出电压UO为负压就不足为奇了。
Buck-Boost 升降压电路取材自 Boost 电路,所以它也不能工作在空载情况。有关电感量、开关频率、滤波电容、负载轻重的讨论读者可仿照 Buck 和 Boost 电路,自行利用 TINA 仿真进行研究。

2 Cuk斩波电路
在电源电路设计中,输入电流和输出电流是否连续是判断电路优劣的一个指标。如果输入电流连续,意味着UI端功率因数较高,对上级电源的谐波干扰小;而输出电流连续,意味着UO端的输出纹波小,电压稳定。
1) Buck 电路的输出电流连续,但输入电流不连续。负载端直接与电感串联,电感电流没有其他支路,则意味着输出电流连续。
2) Boost 电路的输入电流连续,但输出电流不连续。UI端直接与电感串联,电感电流没有其他支路,则意味着输入电流连续。
3) Buck-Boost 电路的输入输出电流均不连续。
有一种斩波电路可以同时做到输入输出电流均连续,它就是传说中的 Cuk 电路。下面我们来试图“还原”Cuk 电路的设计过程。
1) Boost 电路的输入电流是连续的,所以 Cuk 电路的输入部分应该是类似图9所示的电路(Boost 的输入部分)。

15.jpg
图9  输入电流连续的斩波电路单元

2) Buck 电路的输出电流是连续的,所以 Cuk 电路的输出部分应该是类似图2所示的电路(Buck 的输出部分)。根据二极管的方向来判断,图10中左图是正压输出,右图是负压输出,也就是 Cuk 电路可能是正压输出也可能是反压输出。

16.png
图10 输出电流连续的斩波电路单元

先假定 Cuk 电路是正压输出的,将图9和图10进行组合,电感L1和L2之间简单导线直连就得到了图11电路。
1) 稍加分析图11就会发现问题。由于稳态时电感L1和L2电压平均值均为零,所以导线直连意味着输入电压UI与输出电压UO将相等,这样的电路没有变压功能,显然是行不通的,L1到L2之间必须有压差。

17.jpg
图11 Cuk 电路雏形一

2) 三种基本元件中,电感连接的效果和导线一样,电阻连接将会直接带来功耗,只有电容可以实现输入输出之间形成压差。
仍假定 Cuk 电路时正压输出,利用电容连接图9和图10于是就有了图12所示的 Cuk 电路雏形。
1) 对图12进行分析,开关SW1闭合和断开时,C1上的电流方向肯定得是一左一右(要么反过来),否则单向电流时C1上电压不可能稳定。
2) SW1开关闭合时,L1电流一定是自左向右,所以开关断开时,L1电流仍会保持自左向右,C1的电流在开关断开时电流方向也是自左向右。因此,当开关闭合时,C1电流应该是自右向左。C1、SW1、SD1形成的电流网孔,流过逆时针电流将是短路,所以图12所示电路也有问题。

18.jpg
图12 Cuk 电路雏形二

现在只能假定 Cuk 电路是负压输出,将图9和图10结合以后得到图13所示电路,这就是 Cuk 电路。分析复杂电力电子电路的工作原理时,牢牢记住开关闭合就是导线、开关断开就可抹掉这一原则。

19.jpg
图13 Cuk电路

1) SW1开关闭合时,SW1替换为导线,SD1抹掉,Cuk 电路的等效电路如图14所示。V1和L1构成一个电压回路,实际电流一定为顺时针方向;C1、L2和负载(CO和RL)构成另一个电压回路,实际电流方向一定为逆时针(原因在图6电路中分析过,C1电流此时必须是逆时针)。

20.jpg
图14 开关闭合时的 Cuk 电路等效电路

2) 开关闭合时,根据图14所示的各元件电压正方向,可以分别列出L1和L2电压的表达式5。注意,比起前面介绍的三种电路,Cuk 电路计算多出一个电感的电压方程,同时也多出一个电容电压的未知数。
21.jpg(5)
3) SW1开关断开时,SW1抹掉,SD1替换为导线,Cuk 电路的等效电路如图15所示。V1、L1和C1构成一个电压回路,实际电流一定为顺时针方向(L1电流方向不会变);L2和负载(CO和RL)构成另一个电压回路,实际电流方向一定为逆时针(L2电流方向不会变)。


22.jpg
图15 开关断开时的 Cuk 电路等效电路

4) 开关断开时,根据图15所示的各元件电压正方向,可以分别列出L1和L2电压的表达式6。
23.jpg(6)
5) 对L1和L2分别计算电压平均值,可得一个二元一次方程组,求解得到式3。结果表明,Cuk 电路为负压输出电路,可升压可降压。
24.jpg

25.jpg

26.jpg(7)

Cuk 中有关电感量、开关频率、滤波电容、负载轻重的仿真读者自行利用 TINA 仿真进行研究。值得一提的是 Cuk 电路在理论上非常完美,但由于电路复杂,参数比较难设定,最常用的斩波电路还是 Buck、Boos、Buck-Boost 三种。

3  Sepic 和 Zeta 斩波电路
Cuk 电路是反压输出,前面分析过正压输出难以做到输入输出电流均连续。在基本斩波电路中,还有 Sepic 和 Zeta 两种拓扑,可以做到正压输出,但仅能保证一个电流连续。Sepic 电路为输入电流连续,Zeta 为输出电流连续。
根据 Buck-Boost 电路的负面经验,输入电流不连续的单元如图16所示;输出电流不连续的单元如图17所示,其中,输出负压的是左图,输出正压的是右图。

27.jpg
图16 输入电流不连续的斩波电路单元

28.png
图17 输出电流不连续的斩波电路单元

将输入电流连续的图18单元与输出电流不连续的图17单元(输出电压为正的右图)中用电容连接起来,就构成了 Sepic 电路,如图19所示。像 Cuk 电路那样列L1和L2电压方程组可以计算出 Speic 电路的输出电压UO,它与 Cuk 电路UO表达式仅有正负号的区别,本书不再推导。

29.jpg
图18 输入电流连续的斩波电路单元

30.jpg
图19 Sepic 电路

将输入电流不连续的图20单元与输出电流连续图21单元(输出电压为正的左图)用电容连接起来,就构成了 Zeta 电路,如图22所示。Zeta 电路输出电压UO表达式与 Sepic 电路相同,本书也不再推导。

31.jpg
图20输入电流不连续的斩波电路单元

32.jpg
图21 输出电流连续的斩波电路单元

32.png
图22 Zeta 电路

欢迎大家留言作答以下题目,答案将在下期公开课公布。在答案公布前作答正确的同学,还将获得5枚赫兹币奖励哦~

课后问答:

选择题:
1、升降压斩波电路中,输出电压实质来源哪个元件?
A.电容        
B.电感        
C.续流二极管        
D.开关

2、关于升降压斩波电路,说法正确的是?
A.只能输出反压        
B.可以升压也可以降压        
C.由 Buck 和 Boost 电路级联组合而成        
D.可以空载使用

3、关于 Cuk 电路,说法正确的是?
A.可以输出正压
B.输入电流连续        
C.输出电流连续

4、关于 Sepic 和 Zeta 电路,说法正确的是?
A.均可正压输出        
B.输入电流均连续        
C.输出电流均连续

参考答案:
1 B
2 AB
3 BC
4 A

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