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DC-DC----ZETA升降壓原理

引言：與一個(gè)反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器相類似，一個(gè)ZETA轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)單個(gè)MOSFET(S1) 和一個(gè)單個(gè)二極管D1 (S2)，ZETA轉(zhuǎn)換器中的MOSFET和二極管對(duì)于電壓和電流的需求與反向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中此類元件的電壓和電流需求相類似。同樣地，MOSFET和二極管的功率損耗也是相似的。在另一方面，ZETA轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)額外的電感器(L2) 和一個(gè)額外的交流耦合電容器(C1)。

(資料圖片僅供參考)

圖13-1：ZETA拓?fù)浜?jiǎn)圖

圖13-2：SEPIC拓?fù)浜?jiǎn)圖

1.ZETA的工作路徑

圖13-1顯示了ZETA 轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)單電路圖，其由一個(gè)輸入電容Cin、一個(gè)輸出電容Cout、耦合電感L1和L2、一個(gè)AC耦合電容C1、一個(gè)功率MOS即S1，以及一個(gè)S2二極管D1組成。下圖顯示了S1為開啟狀態(tài)和S1為關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，在CCM下運(yùn)行的轉(zhuǎn)換器電流和極性簡(jiǎn)圖。

圖13-3：開關(guān)S1導(dǎo)通時(shí)電流路徑

如 圖13-3 ，當(dāng)開關(guān)管S1導(dǎo)通時(shí)，輸入的電壓對(duì)電感L1充電，同時(shí)電容C1要釋放上周期開關(guān)截止時(shí)充的能量，給電感L2充電，這時(shí)由于二極管S2上方電位較高，二極管截止，形成了兩條回路：輸入Vin→開關(guān)管S1→電感L1，輸入Vin→開關(guān)管S1→電容C1→電感L2→負(fù)載Rload;電容C1與Cout并聯(lián)，因此在穩(wěn)態(tài)CCM期間C1被充電至輸出電壓Vout。

S1開啟時(shí)，充電至Vout的電容C1與L2串聯(lián);因此L2的電壓為+Vin，而S2二極管D1的電壓則為Vin+Vout。

圖13-4：開關(guān)S1關(guān)斷時(shí)電流路徑

如 圖13-4 ，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感L1生成下正上負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過S2續(xù)流二極管VD給電容C1充能，電流回路為：電感L1→二極管VD→電容C1。另外，電感L2也生成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)給負(fù)載供電，電流回路為：電感L2→負(fù)載Rload→S2二極管VD。電容C1與Cout并聯(lián)，因此在穩(wěn)態(tài)CCM期間Cout被充電至輸出電壓Vout。注意電感電壓正負(fù)的變化。

S1關(guān)閉時(shí)，L2的電壓必須為Vout，因?yàn)槠渑cCout并聯(lián)。由于Cout被充電至Vout，因此S1關(guān)閉時(shí)S1的電壓為Vin+Vout，這樣一來L1的電壓便為相對(duì)于S1漏極的–Vout。

2.ZETA的工作波形

若想要知道各個(gè)電路節(jié)點(diǎn)的電壓，在兩個(gè)開關(guān)都為關(guān)閉狀態(tài)且無開關(guān)操作時(shí)對(duì)DC條件下的電路進(jìn)行分析很重要。下組圖顯示了通過各種電路組件的電流。S1開啟時(shí)，輸入電源的能量被存儲(chǔ)在L1和L2和C1中，L2還提供Iout。S1關(guān)閉時(shí)，C1持續(xù)為L(zhǎng)1提供電流，而L2再次提供Iout。

圖13-5：L1/C1/S2同時(shí)序工作波形

圖13-6：ZETA拓?fù)浜?jiǎn)圖

圖13-7：L1/L2/S1同時(shí)序工作波形

3.ZETA關(guān)鍵公式推導(dǎo)

ZETA電路在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感L1、L2充能，C1放能;在開關(guān)關(guān)斷時(shí)，電感L1、L2放能，C1充能，電容C1起到能量耦合傳遞的作用。根據(jù)伏秒定律，兩個(gè)電感在開關(guān)導(dǎo)通和開關(guān)關(guān)斷階段的電流變化量是相等的，所以對(duì)于電感L1，on時(shí)間段和off時(shí)間段電流變化量為：

即：

同理，對(duì)于電感L2，on時(shí)間段和off時(shí)間段電流變化量為：

即：

聯(lián)立這兩個(gè)等式，消去VC1，可得：

從上式可知，Dmax出現(xiàn)在Vin(min)，而Dmin出現(xiàn)在Vin(max)?？梢钥闯鯶ETA電路的輸入輸出關(guān)系和SPEIC電路完全一樣。從這兩種電路的輸出表達(dá)式來看，電路均應(yīng)避免占空比接近1，且電路均不應(yīng)輸出空載，否則會(huì)產(chǎn)生很高的電壓損壞后級(jí)器件。