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工程師讀《精通開關電源》后留下的總結和疑問(2)

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工程師讀《精通開關電源》后留下的總結和疑問(2)

分類:
電源技術
作者:
廣州市愛浦電子科技有限公司
來源:
原創
發布時間:
2019/10/28
瀏覽量
第二章
DC-DC變換器設計與磁學基礎
開關電源的磁性元件設計/選擇除了對變換器的整體性能和體積起決定性作用外,還影響到其他想關功率器件的選額和價格。
對于離線式電源設計,除了使用電感之外,不可避免的采用一個隔離變壓器。
變壓器的高頻效應:集膚效應好鄰近效應。
我們經常以最惡劣情況來選擇功率器件,以保證它們能在應用中安全運行。
設計具有一定功能的開關變換器是不難的,但是要把它設計的性能良好卻不是一件容易的事。
 
D=Vff/(Von+Voff)這個公式,對所有拓撲,占空比都是相等的。
Von代表開關導通時電感電壓
Voff代表開關關斷時電壓
BUCK,BOOST,buck-boost的傳遞函數之所以不同,是因為他們的Von和Voff的表達式不同。

2.2電感電流波形的直流分量和交流紋波
V=L*di/dt可得▲I=V*▲t/L.
電感電流的紋波值▲I完全取決于伏秒數和電感量。討論它的伏秒數和討論它的▲I是等效的。
伏秒數有什么決定的?
取決于輸入/輸出電壓和開關頻率。
只有通過改變L,f或者D才可改變▲I,沒有其他方法可以改變電感電流紋波。
Idc成為電感電流的均值,定義為紋波電流對稱軸處的電流值。
Idc僅決定于傳輸能量--即維持相應的輸入/輸出電壓和輸出功率所需的平均能量。
 
改變電感L不會影響到Idc
改變頻率f也不會影響到Idc
對于BOOST和BUCK-BOOST變換器,改變占空比D會影響Idc。
Idc=Io(buck)
Idc=Io/(1-D) (Boost.buck-boost)
對于buck變換器,其輸出和濾波電感串聯,因此濾波電感的平均電流必須等于負載電流。然而,對于BOOST和BUCK-BOOST變換器,輸出與二極管串聯,所以二極管的平均電流等于負載電流。
前文提到,所有二極管的電流都是脈動的。
改變BUCK電流濾波電感平均電流IDC的唯一方法就是改變負載電流。但是,在BOOST和BUCK-Boost電路中,Idc還取決于占空比。這就導致這兩種拓撲的磁性元件設計和Buck有很大的不同。
對于這三種變換器,濾波電感電流的直流分量和負載電流均成正比。
對于這三種拓撲,改變占空比D均改變電壓的作用時間,進而改變伏秒數,所以改變占空比將使他們的電感中的紋波電壓改變。
總結:對BOOST和buck-boost電路,改變占空比會影響Idc(書中這里貌似有點錯了,他的原文是“對BOOST和BOOST-BUCK電路”)
對所有的拓撲,改變占空比都會影響電感電流紋波▲I。
增加電感值和增大開關頻率都會使電感電流紋波減小。且不影響Idc
問題:怎樣區別某拓撲是否為“BUCK衍生電路”?(疑問)
輸出電路有LC濾波器,是這個原因么?(疑問)
2.3 交流電流,直流電流和峰值電流的確定
r稱為電流紋波率,通常,不論是何種拓撲,也不論變換器的開關頻率及其應用條件如何,r取0.3-0.5之間的值是比較合適的。設計變換器時首先要確定r。
磁芯損耗僅僅由電感的交流電流▲I決定,而與其直流電流Idc無關。
所有變換器中,電感峰值電流,開關峰值電流,二極管峰值電流都是相同的。
峰值電流是電感電流最重要的電流量,不僅是熱量和能量,還是能夠瞬時破壞開關的潛在因素。
電感電流太大,磁芯容易飽和,會喲很大的電流產生。
峰值電感電流是電感電流波形中最容易使磁芯飽和的電流值。
2.4 認識交流電流,直流電流和峰值電流
對于buck電流,因為在開關管導通和關斷都有能量通過電感傳遞到輸出端,因此電感的平均電流必須一直和負載電流相等。
Boost和BUCK-BOOST電路中,能量盡在開關管關斷時通過二極管傳遞到輸出端,因此,二極管的平均電流必須和負載電流相等。
2.5 最“惡劣”輸入電壓的確定
是峰值電流達到最大的輸入電壓為最惡劣輸入電壓。
占空比D寬相當于低輸入電壓。
對于BUCK電路
buck電流中濾波電感的交流電流隨著輸入電壓的增加而增加。
峰值電流也隨著輸入電壓的增加而增加
要在最大輸入電壓Vinmax下來設計BUCK電路
對于BUCK-BOOST
電感的直流電流隨輸入電壓的增加而減小
要最小輸入電壓Vinmin下設計BUCK-boost電路
boost電路在最下輸入電壓Vinmin下設計BOOST電路。
2.6 電流紋波率r
電流紋波率r,它是電感電流的交流分量與其相應的直流分量的比值。即r=▲I/IL
r的有效范圍為0-2,r等于0,電感量無窮大,r=2,變換器工作在臨界連續模式(BCM)
對于任何場合,r取0.3-0.5為合適的,最好選0.4
電感磁芯的能量處理能力與電感值和峰值電流的平方成正比
2.10 頻率對電感量和電感體積的影響
電感量與頻率成反比
電感的體積與變換器頻率成反比
電感額定電流與頻率無關。
電感量與負載電流成反比
電感的體積與負載電流成正比。
2.13 在給定應用中我們需喲考慮哪些電感電流額定值
所有電流限制回路都需要一定時間響應,比較器,運算放大器,電平轉移電路,驅動電路等IC引腳驅動都有延遲
如果用內部集成開關管的IC控制器,PCB寄生電感將抑制電流的突然變化
開關管需要一定的時間來完成關斷,大功率MOSFET有很大的柵極寄生電阻和寄生電感以及極間電容,需要充放電。
若把若干個MOSFET并聯,在大電流場合,問題會更嚴重。
2.15 實際例子
以boost變換器為例,若輸入電壓12-15V,輸出電壓24V,最大負載電流2A,開關管頻率分別為100khz,200khz,1mhz,那么在每種情況下,它最適合的電感量分別是多少?各種情況的峰值電流分別是多大?能量處理的要求是什么?
有沒有大俠可以談談自己的想法啊,長輩們都不關心我們這幫小輩了。
首先需要考慮的是,對于此拓撲(BOOST,包括BUCK-BOOST變換器),輸入電壓最小時是其最惡劣的情況,因為此時占空比最大,并且平均電流IL=Io/(1-D)最大,所以設計中,完全不用考慮Vinmax。
占空比D=(Vo-Vin)/Vo=(24-12)/24=0.5
IL=Io/(1-D)=2/(1-D)=4A
假設電流紋波率為0.4,則Ipk=IL(1+r/2)=4*(1+0.4/2)=4.8A
峰值電流不收開關頻率的影響,選額定值為4.8A的電感即可,不用考慮頻率。但是,電感體積隨頻率變化而變化,因為體積是1/2*L*Ipk*Ipk,電感量隨頻率變化而變化。
選定r之后,對于BOOST電路有Von=Voff,因此開關頻率為100KHZ時候,L=Von*D/(r*IL*f)=12*0.5/(0.4*4*100*1000)=37.5uH
當f=200Khz時,得到的結果是改值的一般,即18.75uH
當f=1MHZ時,得到的電感量為3.75uH.
因此可知,頻率越高電感量越小。
 

 

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