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反极性buck-boost 变换器主电路的元件由开关管,二极管,电感,电容等构成。输出电压的极性与输入电压相反。buck-boost 变换器也有电感电流连续和断续两种工作方式。
反极性buck-boost也可以分为同步,和非同步两种控制器。如图所示,左图为非同步控制器,是由开关管q1、二极管d1、电感l组成拓扑;右图为同步控制器,由q2替代d1实现。
通过控制 q1 与 q2 的导通关断时间,对储能元件电感 l 与输出电容 cout进行 充放电,产生稳定的直流输出电压 vout。其中 vin为电源输入电压,q1 为主开关功率管, 一般用 mosfet,d1 为续流二极管,也可以用一个开关管q2来代替。
工作过程一般包含充电阶段和续流阶段。详细的工作原理为,当系统稳定时,若 q1 导通,q2关断(或者d1反向截止)时,输入电压vin给电感 l 充电,电流的方向为顺时针,此时电能转化为电感磁能,能量储存于电感上,此时电感电流随着q1导通时间的增加而增大;电感储能的同时,输出电容 cout与负载 rl构成回路,上一阶段电容 cout存储的能量释放给负载电阻 rl,提供所需的能量,电流方向为逆时针,输出电压为负值,输出电压的绝对值随着充电阶段的时间而下降,该过程称为环路的充电阶段。
若 q1 关断,q2 导通(或者d1正向导通)时,此时电感电流在上一充电阶段储存的磁能,由电感 l,输出电容 cout,负载 rl和开关管q2(或者二极管d1续流)构成的回路进行释放,此时电感磁能转化成电能,电感电流随着q2 导通时间的增加而减小,一部分用于 cout充电,进行储能,另一部分用于负载rl提供电流,由于电感上的电流不能突变的特性,所以电流方向为逆时针,输出电压也为负值,输出电压的绝对值随着续流阶段的时间而上升,该过程称为续流阶段。
根据 反极性buck-boost 的工作原理可知,电感电流在充电阶段是连续上升的,在续流阶段是连续下降的,而根据电感电流在续流阶段是否降为零,分为连续导通模式(ccm)与非连续导通模式(dcm)。
(1)连续导通模式(ccm)
连续导通模式是电感电流在续流阶段不为零,而在大负载电流情况下易为 ccm 模式。其工作原理如图所示。
由图所示为,在每个周期内,当主开关管 q1 导通,d1反向截止时,输入电压 vin通过q1 给电感充电,电感电流持续增大,此时 l的电压值被拉高约为vin(正值)。当开关管q1 关断,由于d1左侧的电压为vin,右侧为负值vout,则d1为反向截止,电感电流给电容 cout与负载 rl提供能量,电感电流在持续减小, 此时 l的电压值vout(负值)。所以 l的值与电感电流的值都是在周期性变换的,信号上电的波形图如图所示。
当工作在 ccm 模式下,每个周期内都有包含完整的充电阶段和放电阶段。δil为电感电流纹波,iavg电感电流平均值。
设一个完整周期的时间为 t,其中放电周期为 ton,充电周期为 toff。d 为电路中的占空比。由以上的原理分析可得表达式为:
(2)非连续导通模式(dcm)
当 iout>0.5δi时,工作在 ccm 模式下,当iout<0.5δi时,工作在dcm模式,当io=0.5δil时,工作在临界模式。故当负载电流过小时,电路容易工作在 dcm 模式下。
工作在 dcm 模式下时,一个有三个状态:充电阶段、放电阶段 和电感电流为零阶段,这三阶段在一个周期内的时间分别为 t1,t2,t3。充电阶段的占空比为 d1,放电阶段的占空比为 d2。在t3期间, q1关断 和 d1截止, 电感电流为零,负载由输出滤波电容供电。
ccm 模式下,输出电压跟电路占空比与输入电压相关, 而 dcm 模式下,与输入电压,占空比,开关频率,电感值,负载相关。相比于dcm, ccm 的输出电压值的影响因素更小。
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