开关电源兴趣小组 第5次任务
创始人
2026-04-02 19:37:50
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上次我们我们发布了《开关电源兴趣小组第04次任务》,安排了阅读任务,并布置了一些思考题

第04次思考题

第04次阅读内容,主要是Boost电路中各元器件在一个开关周期中的工作状态。

假定电路已达到稳态,即每个开关周期中电压电流的变化均与前一个周期相同。

1、理想的Boost电路,在开关管始终关断情况下(也可以说占空比为0),输出电压是多少?作为对比,Buck电路在开关管始终导通情况下,输出电压是多少?

2、实际的电路中,如果Boost电路开关管始终导通,会发生什么情况?作为对比,Buck电路开关管始终关断,会发生什么情况?

3、理想的Boost电路中,开关管需要承受的最大电压是多少?作为对比,Buck电路开关管需要承受的最大电压是多少?

4、理想的Boost电路中,开关管通过的最大电流(瞬时值)是多少?提示:与输出电压有关。作为对比,Buck电路中开关管通过的最大电流是多少?

5、Boost电路中,二极管需要承受的最大反向电压是多少?一个周期内通过的平均电流是多少?

6、你觉得Boost输出的纹波大还是Buck电路输出的纹波大?比较时显然应该在相同的输出滤波电容和负载电压电流情况下,并且都在电感电流连续情况下进行比较。

1、理想的Boost电路,如果开关管始终关断,那么输出电压与输入电压之间只有电感和二极管,忽略二极管压降(理想二极管)和电感的直流电阻(理想电感),输出电压等于输入电压。同样,理想的Buck电路,如果开关管始终导通,输出电压也等于输入电压。

2、实际电路中,如果Boost电路中的开关管始终导通,在输入电压作用下,电感和开关管中电流必定先是线性上升,然后由于电流过大而烧毁(可能电感和开关管都烧毁)。如果Buck电路中开关管始终关断,那么输出端电压始终为零。

3、理想的Boost电路,开关管关断时两端电压等于输出电压。理想的Buck电路,开关管关断时两端电压等于输入电压。

4、理想的Boost电路,开关管由导通转入关断时电感中电流达到最大(从电感电流波形中可以看出)。

其实,只要仔细阅读了《双向直流变换器》一书,《双向直流变换器》式(2.29)就已经给出Boost电路在电流连续情况下,开关管中电流最大值如下图公式

《双向直流变换器》式(2.50)给出在电流断续情况下,开关管中电流最大值如下图公式

式中Vin为输入电压,Vo为输出电压,Lf为电感量,f为开关频率,Dy为占空比。

可能有不少网友对这些代数公式很厌烦。其实,只要稍加变换,就可以很清楚地看出其物理意义。

既然f是频率,那么1/f就是开关周期T。再乘以占空比Dy,就是开关管导通时间Ton。所以上式就是电感Lf中电流从零开始在输入电压Vin作用下,在导通时间内上升到的数值。如下图

至于Buck电路开关管中电流最大值,电感中电流连续情况参看《双向直流变换器》式(2.3),电感中电流断续情况参看式(2.13)前四行。

这些公式繁多,我们根本不必记忆这么多公式,只要理解其物理意义就够了。需要用到这些公式时,我们知道到哪里去找这些公式就行。

5、Boost电路中,二极管需要承受的反向电压发生在开关管导通时,最大等于输出电压。一个周期内通过二极管的平均电流显然就是Boost电路输出电流。

6、假定电感电流连续。Buck电路输出滤波电容上端总有电感电流流入,电感电流不足以供给输出电流时由电容补充。但在Boost电路中,在开关管导通时二极管中电流为零,输出电流完全由电容放电供给。所以,在其它条件相同(输出电流相同、输出滤波电容容量相同,等等)时,Boost电路输出的纹波比Buck电路要大一些。

第05次活动,请各位阅读《开关电源设计 第三版》第1章第1.5节“反极性Boost调整器”。这本书对此电路讲得比较简略,只讲了电感电流连续工作状态,而且把这种电路归类于Boost电路的变形。

实际上,这种电路在各种教材中名称各不相同,也有教材称为Buck/Boost电路,或者称为反转电路。至于Buck电路,有教材称为降压变换器,英文称为step-down电路。Boost电路则称为升压电路,英文称为step-up电路。

建议同时阅读《双向直流变换器》的2.1.3节“Buck/Boost直流变换器”。在那本书中同时讲到了buck/Boost变换器的两种工作状态:电流连续工作状态和电流断续工作状态。此书对Buck/Boost电路讲得比较详细。

第05次思考题

1、我们在第04次思考题中已经知道:理想的Boost电路,开关管关断时两端电压等于输出电压。理想的Buck电路,开关管关断时两端电压等于输入电压。那么,理想的Buck/Boost电路,开关管关断时两端承受的最大电压是多少?

2、在工频变压器半波整流电路中,通常整流管负极联接一个电容到地,即电容一端联接整流管,另一端联接输出负端。为什么Buck电路不能如下图中C2那样联接?这样不是滤波更彻底吗?

3、我们已经讨论了三种非隔离开关电源,分别是Buck电路、Boost电路和Buck/Boost电路,如下图:

我们看到:这三种不同电路之间的区别仅在于开关管、二极管和电感的位置不同。

但是,三个不同的物体,放在三个不同的位置,一共有六种可能(3的全排列,即3的阶乘,3!)。

你能不能找到开关管、二极管和电感位置不同的其它三种非隔离开关电源电路?注意:输入与输出之间必须具有公共端。

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