【电赛公开课】模拟电路基础知识讲座_第38课时_电流可逆斩波电路

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查看: 9100回复: 12 发表于 2019-5-23 09:56:12   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. 电流可逆斩波电路基本原理
2. 电流可逆斩波电路与同步整流

在前面我们讲过 Buck-Boost 电路其实名不副实,它并不是真的由 Buck 电路和 Boost 电路组合变化得来的。其实真的存在另一种斩波电路是货真价实结合 Buck 和 Boost 两者的原理的,但是它的名字却被叫做“电流可逆斩波电路”。

1 电流可逆斩波电路基本原理
如图1所示的电路就是电流可逆斩波电路,它的负载一般是直流电机或者电源。由于旋转中的直流电机可以看做是一个电源,所以接下来的电路中一律用电池来代替电机符号。
1) 对电流可逆斩波电路来说,V1电压高而V2电压低,但两者究竟谁是电源谁是负载则要“看情况”,这也是电流可逆斩波电路名称的由来。
2) 如果V2是实际电池,则该电路可以实现V1降压后对V2进行充电,或者是V2升压后对V1充电。
3) 如果V2是直流电机,则该电路可以实现电源V1驱动V2电机的电路,或者是V2电机减速并将能量回馈电源V1

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图1 电流可逆斩波电路

如图1所示的电流可逆斩波电路原理分析可以这样简单分析:
1) D1和D2为场效应管T1和T2寄生的二极管,即使不控制T1和T2的通断,两个二极管仍然会“自动”工作。
2) 如果我们彻底放弃控制T2,将T2抹掉(D2保留),那么构成普通降压斩波电路,L1电流就是自左向右的,当然电感电流可能连续或者是断续。
3) 如果我们彻底放弃控制T1,将T1抹掉(D1保留),那么构成普通升压斩波电路,L1电流就是自左向右的,当然电感电流可能连续或者是断续。
4) 实际我们还可以让T1和T2互补导通,这样一来在一个周期中,电路将一部分时间工作于 Buck 电路状态,剩下时间工作于 Boost 电路状态。

下面我们对上面提及的三种工作方式进行仿真,首先简化电路并设定具体的电路参数,得到如图2所示电路。
1) 将T1和T2代表的 MOSFET 开关替换为时间控制开关,以便简化控制电路。
2) 在电感L1处增加一个电流探头AM1,以便分析电路工作过程。(注:在实际开关电源设计中,如果能用高带宽的示波器电流探头去直接观测电流信号,将会事半功倍如虎添翼。不过不幸的是高带宽电流探头价格是万元起步,学生党在学校一般实验室都难得见到。)
3) 将二极管改为快恢复二极管 1N4148(默认二极管型号是 1N1183)。
4) 滤波电容C1和C2改为10μF。
5) V1电压设为10V,V2电压设为5V,并各增加10Ω内阻R1和R2。

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图2 电流可逆斩波电路工作状态仿真电路图

采用如图3所示的时间开关参数,将开关周期设为50微秒,SW1的占空比为50%,SW2保持断开,这样就可以得到纯 Buck 电路控制方式。瞬时现象仿真时长设为1毫秒至1.1毫秒,可得图4所示的电感电流波形。

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图3 电流可逆斩波电路 Buck 工作状态的时间控制开关设定

1) 从1ms至1.025ms,这是开关SW1闭合区间,此时电感电流近似线性上升,电流通路是V1→SW1→L1→负载→GND,符合 Buck 电路运行特征。
2) 从1.025ms至1.05ms,这是开关SW1断开区间。仿真结果表明,电感电流发生了断续。前半段电感电流近似线性下降,电流通路是D2→L1→负载→GND;在后半段电流下降到0以后,由于D2不能反向导通,所以电流保持在零,符合 Buck 电路运行特征。

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图4 电流可逆斩波电路 Buck 工作状态电感电流波形

前面为什么我们要将默认的普通整流 1N1183 二极管换成快恢复的 1N4148 呢?如果对图5电路进行之前一样的参数仿真,得到的电流波形将会是如图6所示,发现了吗,电感电流有一丁点反向了!原因请自行分析,提示复习3.1.3节和3.1.4的知识。

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图5 使用普通二极管的电流可逆斩波电路工作状态仿真电路图

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图6 使用普通二极管的电流可逆斩波电路 Buck 工作状态电感电流波形

将SW1和SW2的设置参数对调,就可以得到纯 Boost 电路控制方式。同样瞬时现象仿真时长设为1毫秒至1.1毫秒,可得图7所示的电感电流波形。电感电流也是断续的,分析过程与 Buck 类似,就不详细展开了。

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图7 电流可逆斩波电路 Boost 工作状态电感电流波形

采用如图8所示的时间开关参数,SW1和SW2互补导通,这样就可以得到“电流可逆”控制方式。瞬时现象仿真时长设为1毫秒至1.1毫秒,并将坐标上下限改为对称(-130mA至130mA),可得图9所示的电感电流波形。

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图8 电流可逆斩波电路“电流可逆”工作状态的时间控制开关设定

1) 由于SW1和SW2开关互补导通,不存在二极管不能反向流电流的问题了,所以电感电流是连续的。
2) 1.0000mS至1.0250mS区间是SW1导通,但工作状况分两部分。1.0000mS至1.0125mS区间,电流方向是V2→L1→SW1→V1→GND,电流逐渐减小到零,电路工作状态为以V2为电源V1为负载的升压电路。1.0125mS至1.0250mS区间,电流方向是V1→SW1→L1→V2→GND,电流逐渐增大,电路工作状态为以V1为电源V2为负载的降压电路。
3) 1.0250mS至1.0500mS区间是SW2导通,工作状况也分两部分。1.0250mS至1.0375mS区间,电流方向是SW2→L1→V2→GND,电流逐渐减小到零,电路工作状态为以V1为电源V2为负载的降压电路。1.0375mS至1.0500mS区间,电流方向是V2→L1→SW2→GND,电流逐渐增大,电路工作状态为以V2为电源V1为负载的升压电路。

9.jpg
图9 电流可逆斩波电路“电流可逆”工作状态电感电流波形

2电流可逆斩波电路与同步整流
实际电流可逆斩波电路占空比不会设为50%,那样一来电流成了拉锯战,两个电池互相充放电闹着玩了。将占空比改变,可得到实际电流可逆斩波电路的工作状态。
1) 将SW1占空比设为75%,互补导通的SW2占空比设为25%,电流仿真结果如图10所示。在 Buck 工作模式下,电流不会降到零,所以电路工作状态一直都是 Buck,从原理上此时仅靠D2的续流作用即可,SW2的导通起到的效果实际是“同步整流”,降低导通压降,减小损耗的效果。

10.jpg
图10 75%占空比下电流可逆斩波电路电流仿真波形

2) 将SW1占空比设为60%,互补导通的SW2占空比设为40%,电流仿真结果如图11所示。此时,电路主要工作在 Buck 状态,少数时候在 Boost 状态。总体上可认为是V1对V2充电。同样,开关互补导通,实际短路掉了二极管,起到“同步整流”的效果。

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图11 60%占空比下电流可逆斩波电路电流仿真波形

3) 将SW1占空比设为40%,互补导通的SW2占空比设为60%,电流仿真结果如图12所示。此时,电路主要工作在 Boost 状态,少数时候在 Buck 状态。总体上可认为是V2对V1充电。同样,开关互补导通,起到“同步整流”的效果。

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图12 40%占空比下电流可逆斩波电路电流仿真波形

4) 将SW1占空比设为25%,互补导通的SW2占空比设为75%,电流仿真结果如图13所示。此时,电路完全工作在 Boost 状态,V2升压后对V1充电。

13.jpg
图12 25%占空比下电流可逆斩波电路电流仿真波形

5) 注意,由于在“电流可逆”控制方式下,二极管可以是“双向导通的”。所以让SW1和SW2互补导通就能实现“同步整流”的效果。其他电路要实现同步整流,例如纯 Buck 电路就没这么简单,SW2在续流电流降到零的时候,就必须关断了,控制要复杂的多。

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、关于电流可逆斩波电路,说法正确的是?
A.可以只工作于 Buck 模式        
B.可只工作于 Boosst 模式        
C.一定可交替工作于 Buck 和 Boost 模式        
D.无论电路参数如何,均可实现电流可逆。

2、电流可逆斩波电路电流可逆的目的是什么?
A.提高开关效率        
B.负载回馈能量给电源        
C.降低输出电压纹波

3、电流可逆斩波电路,工作于同步整流模式时,说法正确的是?
A.可直接设定两个开关为互补导通
B.两个开关非互补导通时,需要检测电路判断何时开始“同步整流”
C.忽略死区时间时,理论上电路中 MOSFET 寄生的二极管永远不会导通

4、同步整流的目的是什么?
A.提高输出电压        
B.降低输出电压纹波        
C.减小二极管上的功耗        
D.降低电路成本

参考答案:
1 AB
2 B
3 ABC
4 C




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