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開關電容DC/DC變換器的理論研究

作者: 時間:2011-02-19 來源:網(wǎng)絡 收藏

2)頻率調制模式(FM)

當各個串并電容組合結構的特征系數(shù)Ki均較大時,式(9)可簡化為

Vo=(11)

式(11)表明,采用PWM方式,已經(jīng)無法獲得明顯的調制效果,而采用FM方式,可以起到調制輸出電壓的作用,我們稱之為頻率調制模式。

3)過渡模式(混合調制模式)

當存在至少一個串并電容組合結構的特征系數(shù)Ki不很大,也不很小時,式(9)中的指數(shù)項不能線性化,開關電容DC/DC變換器的輸出電壓受到工作頻率和占空比的雙重影響,稱之為過渡模式。

一般情況下,三種工作模式的分界線可確定如下[2]:

Ki>3時,開關電容DC/DC變換器工作在FM模式;

0.2Ki3時,開關電容DC/DC變換器工作在過渡模式;

Ki0.2時,開關電容DC/DC變換器工作在PWM模式。

4)逐壓控制模式

PWM動態(tài)響應速度較慢,只適用于DC/DC變換器,而逐壓控制方法具有較好的動態(tài)響應,采用同樣結構的開關電容變換器,可實現(xiàn)DC/AC變換和構成失真小的DC/AC變換器。

現(xiàn)以圖3的基本開關電容DC/DC變換器為例闡述其工作原理,控制電路原理圖如圖4所示。

圖4 基本開關電容DC/DC變換器逐壓控制電路原理圖

變換器啟動后,當輸出超過Vo+Ve或振蕩脈沖為負時,S12關斷,S11導通;當輸出低于Vo-Ve且振蕩脈沖為正時,S12導通,S11關斷。Vo是輸出電壓設計值,2Ve為允許紋波電壓峰-峰值。通過振蕩器提供的脈沖信號,可以保證在變換器啟動初始即使Vo很低(或為零)C1也有被充電的機會,而當Vo建立起足夠的電壓后,通過邏輯電路封鎖振蕩器脈沖。這樣,在啟動初期,S11,S12受振蕩器強制控制,以確保啟動成功,穩(wěn)定后振蕩器不起作用,開關管完全由輸出電壓反饋控制。這就是逐壓反饋控制的基本原理,通過這種控制方法可以使輸出電壓限制在所設計的動態(tài)范圍之內。

5 開關電容DC/DC變換器的效率分析

5.1 基本效率分析

從能量的角度,效率η可以定義如下:

η=(12)

式中:WL和Ws分別是負載消耗和電源供給的能量;

IL和Is分別是負載電流和電源電流的平均值;

T為工作周期。

WL和Ws也可寫作

WL=QLVL,Ws=QsVs

式中:QL和Qs分別是流過負載及電源流出的電量;

VL為負載電壓。

于是,效率為

η= (13)

式中:M稱為變換器的電壓變比,M=VL/Vs;

K稱為變換器的本征電壓變比,K=Qs/QL。

在理想條件下,效率η可以為1,即M=K,但通常η1,即M對于圖1的基本開關電容變換器,則有

QL=Qs,η=M,K=1

上式表明,無論采取什么調制方式,基本開關電容變換器的效率是其電壓變比,當變比很小時,變換器的效率就很低。這并不比線性變換器好多少,但是電路卻復雜得多,因而沒有多大實際意義。

5.2 改善效率的方法

采用串并電容組合結構可以提高開關電容DC/DC變換器的效率。以圖2的二階串并電容組合DC/DC變換器為例進行分析。

設狀態(tài)I時的充電電量為Q,狀態(tài)II時的放電電量為Q′,則利用等效電量關系法可得

Qs=Q=Q11=Q12

QL=Q′=2Q11′=2Q12′

K=0.5

η=M/K=2VL/Vs(14)

式(14)表明,二階串并電容組合開關電容變換器效率在電壓變比相同的情況下,比基本開關電容變換器的效率提高了一倍。同理可以推導出n階串并電容組合開關電容DC/DC變換器的效率為η=M/K=nVL/Vs,在電壓變比相同的條件下比基本開關電容變換器的效率提高n倍,且當電壓變比在本征電壓變比(僅由電路結構確定)附近時可以得到較高的效率,而在其它電壓變比的情況下效率仍然不高,尤其在0.5M1的范圍內,由于有MK的限制,不能采用串并電容組合結構,因而采用單級的電容結構無法提高變換器的效率,而且由于二極管正向壓降的影響,還會使效率更低。采用多級的串并電容組合結構可以進一步改善開關電容DC/DC變換器的效率,以圖1的統(tǒng)一模型為例,可以推導出效率的公式為

η=M/K=M/(15)

由式(15)可知,對于各種電壓變比的電壓變換,只要選取適當?shù)亩嗉壌㈦娙萁M合結構,均可獲得較高的效率。例如,對于+5V/+12V的升壓變換,當n1=1,n2=1,n3=2時即可獲得接近90%的效率。

6 結語

近年來,開關電容DC/DC變換器獲得了較大的發(fā)展,各種新型拓撲和控制方法層出不窮,開關電容DC/DC變換技術也逐漸走向成熟,由于受到電容器制造技術的限制,這種變換器只適合于小功率的電壓變換。隨著科學技術的不斷進步,在不久的將來,開關電容DC/DC變換器必將在諸如航空航天電器、醫(yī)療儀器、機器人、通信設備、便攜式電腦等領域獲得廣泛的應用。


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