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降壓式DC/DC變換器的組成和作用

CHANBAEK ? 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)整理 ? 作者:網(wǎng)絡(luò)整理 ? 2024-10-09 14:58 ? 次閱讀

一、降壓式DC/DC變換器的組成

降壓式DC/DC變換器是一種將直流電源電壓轉(zhuǎn)換為較低直流電壓的電力電子裝置。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由輸入電源、功率開(kāi)關(guān)管、續(xù)流二極管、儲(chǔ)能電感(輸出濾波電感)、輸出濾波電容、負(fù)載電阻以及控制核心——脈寬調(diào)制器(PWM)等組成。以下是對(duì)這些組件及其相互連接方式的詳細(xì)解析:

  1. 輸入電源(U_I)
    • 降壓式DC/DC變換器的輸入端連接一個(gè)直流電源,該電源提供變換器所需的初始直流電壓。
  2. 功率開(kāi)關(guān)管(VT)
    • 功率開(kāi)關(guān)管是變換器的核心元件之一,它負(fù)責(zé)在PWM信號(hào)的控制下交替地導(dǎo)通與關(guān)斷。
    • 當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí),輸入電壓被加到儲(chǔ)能電感上,電感開(kāi)始儲(chǔ)存能量;當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí),電感釋放儲(chǔ)存的能量,通過(guò)續(xù)流二極管繼續(xù)向負(fù)載供電。
  3. 續(xù)流二極管(VD)
    • 續(xù)流二極管在功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)導(dǎo)通,為電感釋放的能量提供一個(gè)回路,使其能夠繼續(xù)向負(fù)載供電。
    • 續(xù)流二極管還起到保護(hù)電路的作用,防止功率開(kāi)關(guān)管在關(guān)斷時(shí)承受過(guò)高的反向電壓。
  4. 儲(chǔ)能電感(L)
    • 儲(chǔ)能電感是降壓式DC/DC變換器中的關(guān)鍵元件之一,它負(fù)責(zé)在功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量,并在功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)釋放能量。
    • 電感的儲(chǔ)能和釋能過(guò)程使得輸出電壓能夠保持穩(wěn)定,并減小輸出電流的紋波。
  5. 輸出濾波電容(C)
    • 輸出濾波電容用于平滑輸出電壓,減小輸出電壓的紋波和噪聲。
    • 當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí),電容充電;當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí),電容放電,與電感釋放的能量一起向負(fù)載供電。
  6. 負(fù)載電阻(R_L)
    • 負(fù)載電阻代表變換器的輸出端所連接的負(fù)載,它消耗變換器提供的電能。
  7. 脈寬調(diào)制器(PWM)
    • PWM是降壓式DC/DC變換器的控制核心,它產(chǎn)生一定頻率和占空比的脈沖信號(hào)來(lái)控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。
    • 通過(guò)調(diào)整PWM信號(hào)的占空比,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的精確控制。

降壓式DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為一個(gè)包含上述元件的電路圖。在電路中,功率開(kāi)關(guān)管、續(xù)流二極管、儲(chǔ)能電感和輸出濾波電容等元件相互連接,形成一個(gè)閉環(huán)的電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。當(dāng)PWM信號(hào)控制功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí),輸入電壓被加到電感上,電感開(kāi)始儲(chǔ)能;當(dāng)PWM信號(hào)控制功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí),電感釋放儲(chǔ)能,通過(guò)續(xù)流二極管和輸出濾波電容向負(fù)載供電。

二、降壓式DC/DC變換器的工作原理

降壓式DC/DC變換器的功率開(kāi)關(guān)管VT在脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)的控制下,交替地導(dǎo)通與關(guān)斷(也稱截止),相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)高速地閉合與斷開(kāi),其工作原理如圖所示。圖(a)和圖(b)分別示出了VT導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的電流路徑,為了便于電路分析,圖中用開(kāi)關(guān)S的閉合與斷開(kāi)來(lái)代替VT的導(dǎo)通和關(guān)斷。

當(dāng)VT導(dǎo)通(即S閉合)時(shí),如圖2-1-2(a)所示,續(xù)流二極管VD截止,輸入電壓U I 加到儲(chǔ)能電感L的左端,因此L上施加了(U I -U O)的電壓,使通過(guò)L的電流I L 線性地增加,電感儲(chǔ)存的能量也在增加,電感的感應(yīng)電動(dòng)為左“+”右“-”。在此期間,輸入電流(即電感電流I L)除向負(fù)載供電之外,還有一部分給濾波電容C充電,電感電流I L 為電容充電電流I 1 和負(fù)載R L 電流I O 的總和。

image.png

當(dāng)VT關(guān)斷(即S斷開(kāi))時(shí),如圖(b)所示,電感L與U I斷開(kāi)。由于電感電流不能發(fā)生突變,因此在L上就產(chǎn)生左“-”右“+”的感應(yīng)電壓,以維持通過(guò)電感的電流I L不變。此時(shí)續(xù)流二極管VD導(dǎo)通,儲(chǔ)存在L中的磁場(chǎng)能量就轉(zhuǎn)化為電能,經(jīng)過(guò)由VD構(gòu)成的回路繼續(xù)向負(fù)載供電,電感電流I L 線性地減小。此時(shí),濾波電容C產(chǎn)生放電電流I2 與電感電流I L 疊加,為負(fù)載R L 供電,負(fù)載電流I O 為電感電流I L 和電容放電電流I 2 的總和。

三、降壓式DC/DC變換器的作用

降壓式DC/DC變換器在電力電子系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用,其主要作用包括以下幾個(gè)方面:

  1. 電壓調(diào)節(jié)
    • 降壓式DC/DC變換器能夠?qū)⑤^高的直流電壓轉(zhuǎn)換為較低的直流電壓,以滿足不同電子設(shè)備對(duì)電源電壓的需求。
    • 通過(guò)調(diào)整PWM信號(hào)的占空比,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的精確控制,使得輸出電壓在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。
  2. 能量轉(zhuǎn)換與傳輸
    • 降壓式DC/DC變換器能夠?qū)⑤斎腚娫刺峁┑碾娔苻D(zhuǎn)換為負(fù)載所需的電能,并高效地傳輸給負(fù)載。
    • 在轉(zhuǎn)換過(guò)程中,變換器能夠減小能量的損失,提高能量的利用效率。
  3. 保護(hù)電路
    • 降壓式DC/DC變換器具有過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)等保護(hù)功能,能夠在電路出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓等異常情況時(shí)及時(shí)切斷電源,保護(hù)電路和負(fù)載的安全。
  4. 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性
    • 降壓式DC/DC變換器能夠減小輸出電壓的紋波和噪聲,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
    • 通過(guò)合理的電路設(shè)計(jì)參數(shù)選擇,可以使得變換器在負(fù)載變化、輸入電壓波動(dòng)等情況下仍能保持輸出電壓的穩(wěn)定。
  5. 實(shí)現(xiàn)電源隔離
    • 在某些應(yīng)用中,降壓式DC/DC變換器還可以實(shí)現(xiàn)電源隔離的功能,即將輸入電源與輸出電源之間進(jìn)行電氣隔離,以防止電氣干擾和觸電危險(xiǎn)。
  6. 節(jié)能與環(huán)保
    • 降壓式DC/DC變換器具有高效率、低功耗的特點(diǎn),能夠減少能源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染。
    • 在現(xiàn)代電子設(shè)備中,降壓式DC/DC變換器已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段之一。

四、降壓式DC/DC變換器的應(yīng)用領(lǐng)域

降壓式DC/DC變換器因其獨(dú)特的電壓調(diào)節(jié)和能量轉(zhuǎn)換功能,在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用:

  1. 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備
    • 在通信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中,降壓式DC/DC變換器用于為各種電路板、模塊和組件提供穩(wěn)定的電源電壓。
    • 通過(guò)精確的電壓調(diào)節(jié)和高效的能量轉(zhuǎn)換,可以確保設(shè)備的正常運(yùn)行和通信質(zhì)量。
  2. 計(jì)算機(jī)與辦公設(shè)備
    • 在計(jì)算機(jī)和辦公設(shè)備中,降壓式DC/DC變換器用于為處理器、內(nèi)存、硬盤(pán)等關(guān)鍵部件提供穩(wěn)定的電源電壓。
    • 這些部件對(duì)電源電壓的精度和穩(wěn)定性要求較高,降壓式DC/DC變換器能夠滿足這些要求,確保設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。
  3. 工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)
    • 工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)中,降壓式DC/DC變換器用于為傳感器、執(zhí)行器、控制器等元件提供穩(wěn)定的電源電壓。
    • 這些元件對(duì)電源電壓的精度和穩(wěn)定性要求較高,降壓式DC/DC變換器能夠確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行和可靠性。
  4. 新能源汽車(chē)與電力系統(tǒng)
    • 在新能源汽車(chē)和電力系統(tǒng)中,降壓式DC/DC變換器用于將高壓電池組的電能轉(zhuǎn)換為低壓電氣設(shè)備的電源電壓。
    • 通過(guò)精確的電壓調(diào)節(jié)和高效的能量轉(zhuǎn)換,可以確保新能源汽車(chē)和電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和安全性。
  5. 其他領(lǐng)域
    • 降壓式DC/DC變換器還廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、航空航天、軍事裝備等領(lǐng)域,為各種電子設(shè)備提供穩(wěn)定的電源電壓和能量轉(zhuǎn)換功能。

綜上所述,降壓式DC/DC變換器因其獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,在電力電子系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。通過(guò)精確的電壓調(diào)節(jié)、高效的能量轉(zhuǎn)換和多種保護(hù)功能,降壓式DC/DC變換器能夠確保電子設(shè)備的正常運(yùn)行和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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