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電感和升降壓開關拓撲

本文主要內容:1、電感充放電過程 2、其串聯電阻R=0的電感方程 3、第一個穩態拓撲,升降壓拓撲

嚴格來說,電感不存在充放電,電感只是存在自感電壓,這裡說充放電比較好理解
先看一個問題:
1、我們都知道,電感充電時電流是隨時間推移而逐漸增加,為什麼?
答案:電感電流初始值為零,剛一上電瞬間,電流想突變,感應電壓介入,試圖讓電流重回0,這時感應電壓為電源電壓。也可推斷出,上電瞬間,其串聯電阻兩端電壓為0。那為什麼電流會逐漸增加?(看樣子外加電壓慢慢幹掉了感應電壓~)
因為,只要存在感應電壓,那麼電感電流肯定是變化的,而且只能朝著增大的方向變化;這時其串聯電阻上產生了壓降,電感感應電壓就會越來越小~
注:有串聯電阻R,電感電流增大的斜率非固定,呈指數形式;而無串聯電阻R,其增大的斜率固定,呈直線,下文會介紹到。

1、電感充放電過程

電感充電方程(R≠0):

I(t)=VinR(1etR/L)

先看一張圖:
電感充放電
在開關閉合階段,如充電方程所示,電感電流以指數規律上升,其兩端電壓以指數規律下降。

這裡串聯電阻R對時間常數(τ=L/R)的影響
充電階段:相同供電電壓,R越大,到達時間常數點(電流最終值的63%)越快
電感充電電流波形
放電階段:相同供電電壓,R越大,到達時間常數點(電流初始值的37%)越快
電感放電電流波形

電感放電方程(R≠0):

i(t)=I0(etR/L)
圖自行腦補~
在開關斷開階段,電感電流以指數規律下降;其開關觸點兩端會出現一個電弧(電壓尖峰),如果觸點距離增加,電感感應電壓會增加以維持電弧(電流)的存在。

2、其串聯電阻R=0的電感方程

題外話:為什麼要講這個方程?說白了,因為我們接下來的開關拓撲分析,沒有串聯電阻R(R=0)。這對我們接下來的電感充電和放電斜率理解有幫助
在開關導通階段,電感電壓從初始值VIN 開始變化,唯一的原因就是電阻R的存在。所以,當R=0時,電感電壓不會變化,感應電壓等於外加直流電壓。(只要電感電流持續變化,該電壓就能保持住,再來句廢話,就是隻要電感兩端存在電壓,其電流必有變化)
當電阻較小時,電感電流以恆定的斜率上升或下降,如圖1-4和1-5
所以下面就將該式:I(t)=VinR(1etR/L) 微分並取R=0。得:

dI(t)dt=VinR(RLetR

/L)

dI(t)dt=VinL
故,電感直連到電源兩端,其電感電流的變化率是常數,VinL
來個萬能公式吧~
上述R=0,所以電感電壓=VIN 。如果用V表示任意時刻電感兩端的電壓,I為電感電流。那麼在理想電感中(R=0),即可得到以下電感方程,適用於任何電路,充電以及放電階段

dIdt=VL

注意電感充放電斜率

3、第一個穩態拓撲,升降壓變換器

這裡我們一步一步來
瑪尼克塔拉說,對待電感感應電壓尖峰的問題,要麼不管他,要麼就壓制他~
好吧,一個二極體成功解決~
二極體為電感電流提供洩放通路
下面我要用白話文了來講解了~
上圖電感電流上升斜率是VON/L ,下降斜率是VOFF/L ,明顯VOFF 的斜率要小於VON ,那麼如果VOFF 時間不夠電感復位(電感放電完畢),就會出現下圖的情況,電流呈階梯式上升,簡稱非穩態:
階梯式上升電流
既然都出現非穩態了,那我們就要讓他穩態起來:
首先想一想穩態的條件,當VONVOFF 幅值差不多時,佔空比0.5,最容易達到穩態,差太多那就不好辦了
那有什麼既便宜又好用的方法呢?加個電容
如果讓電感放電電流繼續給電容充電,電容電壓就會達到穩態電壓VO ,這樣,電感電壓就會有升高的空間了,電流下降率隨之下降。
若干個週期之後,電感電流IL 就會達到穩態值了。此時電容雖然每個週期都會充電,但其電流下降率逐漸增加,最終自然穩定在固定輸出電壓了。(佔空比固定,是多少,下文計算)
電感電流逐漸達到穩態

計算佔空比

這裡我們假設輸出電壓最終穩定在5V。
電感是非耗能器件,應用伏秒定律(電壓*時間):
VONtON=VOFFtOFF

12*tON=5.5*tOFF(輸出含0.5V二極體壓降)

tOFFtON=2.18

故,需穩定輸出5V(達到伏秒平衡),關斷時間必須是導通時間的2.18倍。
可得D=0.314

推匯出升降壓拓撲

下圖為升降壓拓撲電路:
升降壓變換器
由上圖可知:

VON=VIN-

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