凡亿专栏 | 非隔离式转化器工作原理
非隔离式转化器工作原理

       之前我们说过,非隔离式转换器有三种基础的结构,他们分别是:降压式、升压式和升降压式。

       降压式转换器也称为Buck电路,其结构如下图所示:

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        当开关S闭合时,电路工作电流如下图所示:

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        由图中可以看出,VD因为承受反向电压而截止,电感L1励磁并储存能量,电容Co开始充电。

        当开关断开时,电路工作如下图所示:

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        图中,VD承受正向电压而导通,电感L1消磁并释放能量,电容Co开始放电。

        在换能电路中,如果负载RL太轻又或者电感数值太小,就会导致在导通状态下电感的存储能量不足,在截止的时候就会导致时间还没有结束能量就已经释放完毕,就会导致输出电压为0,会出现阶梯式输出电压形态。所以为了使输出电压的交流分量足够小,我们应该将Co的取值取得足够大,也就是说只有在L1和Co的取值足够大的情况下,输出电压和输出电流才是连续性的,L1和Co取值越大,得到的输出电压越稳定,波形越平滑。

        因为输出电流是输入电压通过LC滤波电路轮流提供的,所以在通常情况下,脉动成分比线性稳压电源要大一些,这也是这个降压式转换器的一个缺点。

        我们在初中时学过能量守恒定律,所以我们可以根据这个定律来得到我们需要的参数。

        当开关闭合时,加在电感L1两端的电压为(Ui-Uo),那么我们假设开关闭合时间为Ton,那么我们就可以得到开关闭合期间,电感励磁存储能量,我们可以称为磁通量,它的增加量为:(Ui-Uo)*Ton。

        当开关断开时,由于电感电流不能突变,二极管变为导通状态,电感L1消磁并释放能量,磁通量减少为:Uo*Toff。

        在电源稳定的状态下,电感的磁通量增加量与减少量是相等的,这个就是我们所谓的“伏·秒相等原则”,也就是说(Ui-Uo)*Ton=Uo*Toff;我们将等式进行运算,可以得到:Uo*T=Ui*Ton;则Uo=Ui*Ton/T;现在我们一般把Ton/T称为占空比,用D来表示,那么输出电压Uo=Ui*D;因为导通时间一定是小于等于总时间的,所以D一点小于1,则输出电压一定小于输入电压,所以我们称之为降压式电路。

        升压式转换器也称为BOOST电路。其电路如下所示:

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        当开关S闭合时,电路工作如下图所示:

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        开关S闭合后,VD因承受方向电压而截止,电感L1励磁并存储能量,电容Co开始放电。

        当开关S断开时,电路工作如下图所示:

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        当开关S断开时,VD承受正向电压而导通,电感L1消磁并释放能量,电容Co开始充电。

        当S闭合时,输入电压Ui加到电感L1上,我们同样把闭合时间假设为Ton,那么在这个期间,电感L1由于输入电压Ui励磁并存储能量的期间磁通量增加为:Ui*Ton。

        当S断开时,二极管转为导通状态,电感L1消磁并释放能量,磁通量减小量为:(Uo-Ui)*Toff。

        同样在电源稳定的状态下,电感中的磁通量变化量是相等的,经过计算,我们可以得到输出电压Uo=Ui*T/Toff;因为T/Toff得到的必大于1,所以输出电压一定比输出电压高,所以我们称这个线路为升压线路。

        还有一种电路称为升降压电路,线路图如下所示:

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        升降压电路也是我们业内所说的BUCK-BOOST电路,当开关S闭合时,工作原理如下图所示:

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        当开关S闭合时,二极管因承受反压而截止,电感L1励磁并存储能量,电容Co开始放电。

        当开关S断开时,电路工作如下图所示:

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         开关S断开,二极管VD承受正压而导通,电感L1消磁并释放能量,电容Co开始充电。

        当S闭合时,我们假设为Ton,在这段时间里,输入电压Ui加在电感L上,这期间,电感L由输入电压Ui励磁并存储的能量为:Ui*Ton。

         当S断开时,电感L1消磁并释放能量为: Uo*Toff。

        联立上面等式,我们可以得到:Uo=Ui*Ton/Toff。

        当Ton/Toff小于1时,也就是占空比D小于0.5时,这种线路为降压线路,当占空比大于0.5时,这种线路为升压线路。

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