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Buck-Boost 穩態連續導通模式分析

作者: 時間:2014-01-24 來源:網絡 收藏

介紹Buck - Boost,這部分主要目的就是給出一個Buck - Boost模式下電壓轉換關系的推導。這是很重要的,因為它揭示了輸出電壓怎樣由占空比和輸入電壓決定,或者相反,怎樣基于輸入電壓和輸出電壓來計算占空比。穩態說明輸入電壓、輸出電壓、輸出負載電流和占空比都是固定不變的,大寫字母表示出了穩態下的變量名。

本文引用地址:http://www.j9360.com/article/226634.htm

在連續導通模式,buck - boost轉換器保證每個開關周期有兩個功率態,當Q1是開、CR1是關時,就是開態(ON);當Q1是關而CR1是開時,就是關態(OFF)。在每個狀態中,當回路中的開關被等價回路所代替時,一個簡單的線性回路可以用來表示這兩種狀態,兩種狀態的回路圖表見圖2.


開態的時間為D×TS= TON,其中D為由控制回路設定的占空比,代表了開關在開態的時間占整個開關周期(TS)的比值。關態的時間叫TOFF,因為對于連續導通模式下在整個開關周期中只有兩個狀態,所以TOFF等于(1D)×TS,數值(1D)有時被成為D,這些時間與波形一起顯示在圖3中。

參考圖2,在ON態,Q1此時為低電阻,RDS(ON),從漏極到源極,只有很小的電壓降VDS= IL×RDS(on)。同時電感器的直流電阻上的電壓降也很小,等于IL×RL。因此,輸入電壓VI,減去損耗( VDS+ IL× RL),就加載到電感器L兩端。在這段時間CR1是關的,因為它是反向偏置的。電感電流IL,從輸入源VI流出,經過Q1,到地。在開(ON)態,加在電感器兩端的電壓為定值,等于VI– VDS–IL×RL。通過改變圖2中電流IL的極性,電感上的電流會隨著所加的電壓而增大。同時,由于加載的電壓通常必須為定值,所以電感電流線性增加。圖3描述了在TON時間內電感電流的增加。

電感電流的增加量可以由類似關系式來求得:


在開態(ON)時間內電感電流的增量由下式可得:


量ΔI(+)代表了電感的紋波電流,同時注意在此期間,所有的輸出負載電流由輸出電容C提供

參考圖2,當Q1關時,它的漏極和源極間有很高的阻抗,所以,流過電感L的電流不能瞬時的變化,從Q1轉移到CR1。隨著電感電流的減小,電感兩段的電壓改變極性直到整流器CR1變為前向偏置,打開的時候,這時電感L兩段的電壓變為(VO–Vd–IL×RL),式中的VdCR1的前向電壓降。電感電流IL,這時從輸出電容和負載電阻的組合,經過CR1到地。注意CR1的方向和電感中電流的流向意味著輸出電容和負載電阻中電流導致VO為負電壓。在關態(OFF)時,電感兩端的電壓為定數,且為(VO–Vd–IL×RL),為了保證同樣極性的轉換,這個加載電壓必須是負的(或者在開態(ON)時為極性相反的加載電壓),因為輸出電壓為負的。因此,電感電流在OFF態時是減小的,而且由于加載電壓必須是常數,所以電感電流線性減小。TOFF時間內電感電流的減小見圖3.

在關態(OFF)電感電流的減小可以由下式求得:

ΔIL(–)也代表了電感的紋波電流。

在穩態條件下,開態(ON)下的電流增加量ΔIL( + )和關態(OFF)下的電流減小量ΔIL(-)必須是相等的。否則,在一個周期到下一個周期,電感電流就會有一個凈的增加量或者減小量,這就不是一個穩態了。所以,這兩個方程必須相等,從而求出VO,得到連續導通下buck - boost能量轉換的關系式:

求解出VO:


TON+TOFF來替換TS,并利有D = TON/TS(1-D)=TOFF/TSVO的穩態方程可變為:

注意在上式的化簡中,用到了TON+TOFF等于TS,這只是在連續導通模式下成立的,在我們以后分析到非連續導通模式下就可以看到。

我們還發現,ΔIL的兩個值相互相等的假定,等同于電感上的電壓-秒曲線的平衡。電感上的電壓–秒關系是由加載在電感上的電壓和加載電壓的時間來確定的。這是用已知的電路參數來計算像VOD等未知值的最好方法,這種方法在本文中將經常用到。電感上的電壓-秒關系平衡在物理上是必須的,而且就像歐姆定律一樣容易理解。

我們還發現,ΔIL的兩個值相互相等的假定,等同于電感上的電壓-秒曲線的平衡。電感上的電壓–秒關系是由加載在電感上的電壓和加載電壓的時間來確定的。這是用已知的電路參數來計算像VOD等未知值的最好方法,



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