电力电子学概论 - 电源拓扑简介

在本模块，我们将深入 了解用于功率转换的不同电力拓扑。 功率转换器 是用于转换电能的设备。 这些电路主要分为四类： 直流 至直流转换，交流至直流转换， 直流至交流转换，交流至交流转换。 直流至直流转换涉及将一个直流电压移至 一个较低或较高的直流电压。 线性稳压器和降压转换器 都能将输入电压降至较低的直流输出电压。 另一方面，升压转换器 将输入电压升高至较高的输出电压。 降压/升压稳压器，顾名思义， 可生成高于和低于输入电压的直流 电压。 交流至直流转换用于交流输入 电压和直流输出电压。 这些应用通常与交流主电源相连。 交流至直流配置中的升压转换器 中途对交流主电源整流并将产生的 电压提升至高于交流峰值电压的水平。 功率因数校正电路常常采用此方法。 反向还会半途纠正交流主电源。 但是，反向可降低 或提升输入电压。 反激式转换器还采用变压器， 可提供隔离。 升压转换器为非隔离式。 直流至交流转换通常没有直流至直流 以及交流至直流关系普遍； 但是，它的使用变得更为频繁 以从产生直流电压的太阳能板获取电力 并将其绑定至交流电网的电能。 逆变器是将直流变为交流的电路， 并且它可以将直流电压分别提升或降低至 更高或更低的交流峰值电压。 最后一款常用功率转换器是交流至交流转换器。 这通常用于执行以下操作之一。 升高峰值或 RMS 交流电压， 降低峰值或 RMS 交流电压， 以及/或者更改交流电源的频率。 电网上所用的变压器 可在发电厂提高交流电压 或在变电站降低电压， 此类转换器就是很好的示例。 本模块将深入了解三个直流至 直流转换器：线性稳压器、 降压转换器和升压控制器。 在探究每个拓扑时， 最好能够了解线性转换器 和开关转换器之间的差异。 线性稳压器用于生成调节的较低 输出电压，与降压开关转换器类似。 下图将线性稳压器的简化 表示显示为可变电阻。 请注意，输入始终经由传递元件 与输出相连。 传递元件，可能是晶体管或 MOSFET， 将在线性区域中运行并调节从来源 到负载的电流。 开关稳压器不同于 线性稳压器，开关稳压器 将电力从电源传递至升压中的负载。 可将降压转化器视为 最终由平均滤波器平均的接地电压和 输入电压之间的 PW 脉冲交变。 电源并非始终与负载相连。 与此相比，过往元件通常会按 周期率开启或关闭负载的电源， 通常每秒数十万次。 现在，已识别线性和开关稳压器之间的差异， 并可更仔细观察线性稳压器 是否正常。 线性稳压器，有时称作 LDO， 可作为输入和输出电压之间的可变 电阻。 误差放大器通过按需提高或降低 传递元件电阻来 调节输出电压。 电阻传递元件与输出电容 相结合可创建低通滤波器， 且没有通常与开关模式 电源有关的开关噪音， 可实现极低的低输出波纹。 传递元件可降至极低的电阻， 这使得在输入和输出之间能够产生 较小的电势差。 但是，如通常所指，此压降 必须在 LDL 数据表中进行验证。 线性稳压器的另一大优势 是因输入始终与输出相连而造成的 快速瞬态响应。 最后，易于使用、成本低以及可忽略的电磁干扰问题 使线性稳压器的优势得以圆满。 尽管其具备众多优势， 在使用线性稳压器时存在折衷。 最为重要的是，LDO 效率 由输出电压除以输入电压定义。 当转换比高时，效率差 且甚至在中至低输出电流下 产生的功率损失和热 极高。 这可以是系统中的主要障碍， 其中，热预算为主要问题。 最后，输出电压必须高于 输出电压。 在线性稳压器中，不可能将输入电压 提高至输出电压。 为进一步比较开关和 LDO， 该快照展示了在 6 瓦开关模式电源 和 2.5 瓦 LDO 之间的电路板空间差异的 极端案例。 虽然 LDO解决方案大小可以 接近小于 4平方毫米的尺寸， 要求 LDO耗散的电能 驱动了热求区域。 另一方面，开关具有高得多的期待电能密度， 使其能够在单位电路板面积上 提供更多输出电能。 我们接下来要研究的首个开关模式电源拓扑 是降压转换器。 如前所述，降压转换器 允许直流输入电压能够有效转化为 较低的输出电压。 虽然，这一点也称不上是个包罗万象的列表， 适合降压转换器的常见应用 特别适用于 DDR 内存条、CPU 电源、 ASIC 和 FPGA 以及服务器。 笔记本电脑包含电池充电器和图形卡， 其中降压转换器也很常用。 此处所列的是降压转换器的 高级概述。 操作会在控制开关开始切换时开始， 且稳态操作由以下两种 状态定义，控制开关开启时， 或控制开关关闭时。 当控制开关开启时，跨过电感器的电压为 输入电压减去输出电压。 每个电压是输入电压和输出电压的固定值。 电流经过电感器将提升 V， 等于 LDI 除以 DT，如模块二中所示。 其他状态是在控制开关已关闭时。 电能持续流入电感的输出， 然而，电感中的电流 在此期间将下降相同的 V 等于 LDI DT 公式。 输出电容器用于过滤三角交流电流， 这使直流电流能够流入负载。 为从书输入推导为输出功能， 必须在模块二中定义稳态电感器 主要参考。 有关一段时间内要学习的电感器中的电流， 开关期中的净电感电压必须为零。 换言之，必须均衡跨电感器的 伏特秒数。 如果未实现伏秒平衡， 电感器电流将下降至零， 或上升至核芯饱和。 查看降压转换器操作的首个状态， 控制开关已关闭，且电感器将使用 输入电压 V 减去输出电压 V 的电压充电。 为简洁起见，假设开关已关闭 D 乘以 T 秒，其中 D 为占空比， 而 T 为开关期间。 右侧第二个状态显示控制开关 开启且电流将持续穿过电感器。 然而，在此状态下，电感器 会在电压翻转跨过电感器时放电， 且该电压值为负输出电压 V。 在此状态下所用时间是 1 减去占空比 D， 再乘以总周期。 由于存在稳态电感器原则， 跨电感器的平均电压是 0。 由于电感器电压有两个状态， 均具有稳定的电压，平均值为输入电压 V 减去输出电压 V， 乘以 DT，加上负输出电压 V乘以 1 减去 D 乘以 T， 除以 T，其等于 0，可将其简化为 输入电压 V 乘 D，减去输出电压 V 乘以 D，减去输出电压 V， 加上输出电压 V 乘以 D 等于 0。 最后，当以上公式简化后， 输出电压等于输入电压乘以占空比。 这是降压转换器的输入至输出电压 表达式。 我们已讨论降压转换器如何运行， 以及使用稳态电感器原则推导占空比。 现在，我们回顾一些常用电压 和电流波形图。 当控制开关开启时，开关节点上的电压较高， 显示为蓝色。 开关电流，呈红色， 跳至电感电流的当前值。 当电感充电时，开关电路将提升， 它相当于电感器电流，呈绿色。 当控制开关切换至低位时， 同步整流器或二极管 将对电感器电流进行整流。 电感器放电直至下一开关周期。 存在许多类型的降压转换器电路， 我们将在此处详述其中三个。 当整流元件为二极管时， 降压转换器已定义为非同步。 通常，这是成本更低的实施方案， 适合较高的输入电压和较低的输出 电流。 这在自动化应用中非常普遍， 因为存在与负载突降相关的 高峰值输入电压。 同步降压转换器， 这是目前为止最流行的降压转换器， 使用 MOSFET 替代纠正性二极管。 整流 MOSFET 一般会改善降压转换器的 总体效率。 但是，总成本可略有提高， 因为需要 MOSFET 驱动器驱动低端 FET。 最后，多相位降压转换器， 也称作交错降压转换器， 它具有多相降压转换器， 在具有相同输出电压的相同输入下运行。 将其视为使用两个、三个、四个 或六个软管，而非仅仅一个软管 装一桶水。 该配置在较高电流应用中非常流行， 并且可具有极快的 瞬态响应。 将出现在该模块中的第二和最终开关 模式电源拓扑是升压转换器。 如前所述，升压转换器 允许直流输入电压能够有效转化为 较高的输出电压。 一个常见应用是 LED 背光， 它通常具有许多需要高电压才能驱动的 系列 LED。 另一个常见应用是系统的最后关头功能， 例如 SSD，它需要在功率损失后的 短时间内仍保留功能， 以按受控方式关闭。 通过以高于总线电压的更高电压存储滞留电能， 电容的容量可最高 大幅削减80%，极大 降低解决方案尺寸和成本， 同时改善可靠性。 这些不过是升压转换器 许多应用中的几种。 此处所列的是升压转换器 操作的高级概述。 操作会在控制开关开始切换时 开始，并且稳态运行 定义为以下两种状态， 即控制开关开启或控制开关关闭。 当控制开关开启时，跨过电感器的电压为 输入电压。 电流经过电感器将提升 V， 等于 L(di/dt)，如模块二中所示。 其他状态是在控制开关已关闭时。 电能已倒入电感的输出， 且电感电流在此期间下降， 下降幅度为与 L(di/dt)等式相同的 V。 输出电容器用于过滤电感器交流电流， 这使直流电流能够流入负载。 可将升压转换器看作是 持续将水倒入较大水桶中的 小桶水。 升压转换器的第一状态 是将控制开关关闭，电感器将充电 且具有输入电压 V。 为简洁起见，假设开关已关闭 D 乘以 T 秒，其中 D 为占空比， 而 T 为开关期间。 右侧第二个状态显示控制开关 开启且电流将持续穿过 电感器，其现在与负载相连。 然而，在此状态下，电感器 会在电压翻转跨过电感器时放电， 且该电压值为输入电压 V 减去输出电压 V。 在此状态下所用时间是 1 减去占空比 D， 再乘以总周期。 由于存在稳态电感器原则， 跨电感器的平均电压是 0。 由于电感器电压有两个状态， 这两个状态均具有稳定的电压， 平均值为输入电压 V 乘以 DT， 加上输入电压 V 减去输出电压 V，乘以 1 减去 D 乘以 T 除以 T， 这可简化为输入电压 V 乘以 D，加上输入电压 V 减去输出电压 V， 减去输入电压 V 乘以 D，加上输出电压 V 乘以 D，其等于 0。 最后，输出电压将变为 等于输入电压除以 1 减占空比。 值得注意的是，输出电压随着 占空比升高而变得越来越高。 这忽略了电感器在与输出相连上 所花时间越来越少的事实。 我们已讨论升压转换器如何运行， 以及使用稳态电感器原则推导占空比。 现在，我们回顾一些电压和电流波形。 当控制开关开启时，开关节点上的电压为 0， 显示为红色。 开关电流，呈紫褐色，将立即 跳至电感电流的当前值。 当电感充电时，开关电流将 上升，相当于电感器电流。 当控制开关关闭时， 同步整流器或二极管 将对电感器电流进行整流。 电感器放电直至下一开关周期。 存在三个主要的升压转换器， 非同步升压、同步升压， 以及多相，也称作交错 升压。 非同步升压是最常见的实施方案。 它使用整流二极管引导电感器电能 进入输出线路。 二极管整流在升压转换器中更为常见， 因为输出电压通常高于 降压转换器。 在较低负载电流中的较高输出电压下， 二极管损失的重要性降低。 同步升压转换器会将整流二极管替换为 整流开关。 这在负载电流较高时特别有用， 并有助于降低整流器中的 导通损耗。 驱动高侧整流器是一项更富有挑战的任务， 因为 MOSFET 的漏极或搜索端 均未接地。 最后一个升压转换器是多项升压。 与多相位降压转换器类似， 交错升压具有输入和输出电压。 然而，它含有两个或多个相位。 随着输出功率提升，