三种适合于低占空比、基于飞轮电容的BUCK变换器结构

电子工程师笔记 2019-04-16 17:03

飞轮电容的工作原理类似于充电泵电容,可以实现如下功能:

(1)叠加在浮动电压上实现升压,如叠加在BUCK、BOOST变换器开关节点SW的电容。

(2)实现升降压功能,如SEPIC电路的主功率回路电容。

(3)实现负压功能,如CUK电路的主功率回路电容。

如果将飞轮电容串联在BUCK电路的主回路,输入电压通过飞轮电容加到输出电感,由于电容相当于一个电压源,那么,电感两端所加的电压为:Vin –Vc –Vo,相比Vin –Vo,电压降低很多,就可以实现这种低占空比的应用,同时还可以提高效率,下面分别介绍这三种飞轮结构的BUCK变换器。


1、四管、双电容、单电感结构

 

电路结构所下图所示,工作过程有2个模式。


模式1:S1和S3导通,S2和S4截止

输出电感激磁,输入电压通过C1向输出负载提供能量,同时对C1充电;C2通过S3对输出负载放电提供部分电感电流,因此,电感的负载电流由输入电源(通过S1、C1)和C2同时提供。


如果C1、C2的电容相等,电感电流等于电容C1、C2的电流之和。S1、S3工作于硬开关状态,由于S1、S3的电流降低,因此可以同时降低导通损耗和开关损耗。

模式2:S2和S3导通,S1和S3截止

输出电感去磁,在前面一个阶段过程结束时,由于C1、C2的电压不平衡,当S2、S4导通后,将C1、C2并联,所以电压高的电容将会对电压低的电容放电,那么,S4不仅流过输出电感续流电流,还要流过C1、C2充放电的电流,因此其导通损耗会增加。

 


主功率(S1、S3)占空比:D=2Vo/Vin

 

2、四管、单电容、双电感结构

电路结构所下图所示,工作过程有4个模式。

 


模式1:S1和S3导通,S2和S4截止

L1激磁,输入电压通过C1向输出负载提供能量,同时对C1充电; L2去磁,S4续流。

 


模式2: S3和S4导通,S1和S2截止

L1、L2去磁,S3、S4续流。

 


模式3: S2和S4导通,S1和S3截止

L2激磁,电容C1放电,通过L2向输出负载提供能量; L1去磁,S4续流。

 


模式4: S1和S3导通,S2和S4截止

L1、L2去磁,S3、S4续流。


本结构相当于二相工作,可以同时降低导通损耗和开关损耗。

 

3、六管、双电容、三电感结构

电路结构所下图所示,工作过程有4个模式。

模式1:S1A、S2B和S3A导通,S1B、S2A和S3B截止

输入电压通过C1向输出负载提供能量,同时C2放电向输出负载提供能量。

 

模式2: S1B、S2A和S3B导通,S1A、S2B和S3A 截止

输入电压通过C2向输出负载提供能量,同时C1放电向输出负载提供能量。

L1、L2为耦合电感,在模式1、模式2中正、反向工作实现激磁和去磁,L3激磁。

 

模式3:S3A和S3B导通,S1A、S1B、S2A和S2B截止

L1、L2的电压短路到0, S3A和S3B续流,L3电感去磁。


通过耦合电感,实现48V-1V的超低的占空比。


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