电源技术中的PWM DC/DC转换器的工作原理
以Buck PWM DC/DC转换器为例,来介绍PWM DC/DC转换器的工作原理。 Buck PWM DC/DC转换器在连续导电模式(COM)时的工作原理,可以用如图2(a)来说明:在一个开关周期内,开关管的开关过程将直流输入电压u进行斩波,形成脉冲宽度为Ton的方波(Ton为开关管导通时间)。当开关管导通时,二极管关断,输入端直流电源Ui将功率传送到负 载,并使电感储能(电感电流上升);当开关管关断时9二极管导通续流,电感上储存的能量向负载释放(电感电流下降)。在一个开关周期内,电感电流的平均值等于负载电流r。(忽略滤波电容C的ESR)。用同样的方法可以分析Boost,Buck PWM DC/DC转换器在电源技术中扮演着至关重要的角色,尤其在电子设备和系统中,它们被广泛用于电压调节和能效优化。PWM(Pulse Width Modulation)技术通过改变开关元件(如MOSFET或IGBT)的开通时间(占空比)来控制输出电压的平均值。在此,我们主要关注Buck PWM DC/DC转换器的工作原理,它是一种常见的降压转换器。 Buck PWM DC/DC转换器的核心组件包括开关管、电感、二极管和滤波电容。在连续导电模式(Continuous Conduction Mode, CCM)下,开关管在每个开关周期内经历导通和关断两个阶段。当开关管导通时,输入电压Ui通过开关管和电感向负载提供能量,此时电感电流逐渐增加并储存能量。在开关管关断期间,二极管导通,电感中储存的能量通过二极管释放到负载,电感电流逐渐减小。由于电感电流在开关周期内的平均值等于负载电流,因此可以通过调整开关管的占空比来控制输出电压。 占空比(Duty Cycle)定义为开关管导通时间Ton与整个开关周期Ts的比例,即Du = Ton/Ts。在Buck转换器中,输出电压Uo与输入电压Ui之间的关系为Uo/Ui = Du,这意味着通过调整占空比,可以实现输入电压到输出电压的线性降低。 Buck转换器的效率非常高,理想情况下可以达到1,即输入功率等于输出功率。输入电流Ii和输出电流Io之间的关系为Io/Ii = 1/Du,表明Buck转换器可以将输入电流减小,从而提高电流密度。 同样,Boost PWM DC/DC转换器是升压转换器,其输出电压高于输入电压,转换比为Uo/Ui = 1/(1-Du)。而Buck-Boost转换器则是一种既能升压也能降压的转换器,转换比为Uo/Ui = Du/(1-Du),根据占空比Du的值,可以灵活地改变输出电压的方向。 在CCM模式下,计算这些转换器的输出/输入电压转换比相对简单,但在断续导电模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM)下,由于电感电流在某些时刻会降为零,计算过程会变得更为复杂。 Buck、Boost和Buck-Boost PWM DC/DC转换器是基本的拓扑结构,通过这些基本电路可以衍生出多种变体,以满足不同应用需求的电压转换和管理。这些转换器的灵活性和效率使得它们在现代电子系统中不可或缺。
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