BoostBuck電路知識(shí)學(xué)習(xí)

1、2021/3/231 1、定義定義: 利用電力開關(guān)器件周期性的開通與關(guān)斷來(lái)改變輸出電壓利用電力開關(guān)器件周期性的開通與關(guān)斷來(lái)改變輸出電壓 的大小的大小,將直流電能轉(zhuǎn)換為另一固定電壓或可調(diào)電壓的直流將直流電能轉(zhuǎn)換為另一固定電壓或可調(diào)電壓的直流 電能的電路稱為直流變換電路。電能的電路稱為直流變換電路。(開關(guān)型開關(guān)型DC/DC變換電路變換電路 /斬波器斬波器)。 2、分類、分類: 按穩(wěn)壓控制方式按穩(wěn)壓控制方式:脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制(PWM)、脈沖頻率調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制、 (PFM)直流變換電路。直流變換電路。 按變換器的功能按變換器的功能:降壓變換電路降壓變換電路(Buck)、升壓變換電路、升壓變

2、換電路 (Boost)、升降壓變換電路、升降壓變換電路(Buck-Boost)、庫(kù)克變換電、庫(kù)克變換電 路路(Cuk)和全橋直流變換電路。和全橋直流變換電路。 3、隔離方式、隔離方式: 在直流開關(guān)穩(wěn)壓電源中直流變換電路常常采用變壓器實(shí)現(xiàn)在直流開關(guān)穩(wěn)壓電源中直流變換電路常常采用變壓器實(shí)現(xiàn) 電隔離電隔離,而在直流電機(jī)的調(diào)速裝置中可不用變壓器隔離。而在直流電機(jī)的調(diào)速裝置中可不用變壓器隔離。 2021/3/232 3.1 3.1 直流變換電路的工作原理直流變換電路的工作原理 v工作原理工作原理: :圖中圖中S S是可控開關(guān)是可控開關(guān),R,R為純阻性負(fù)載。為純阻性負(fù)載。 在時(shí)間內(nèi)當(dāng)開關(guān)在時(shí)間內(nèi)當(dāng)開關(guān)S

3、S接通時(shí)接通時(shí), ,電流經(jīng)負(fù)載電阻電流經(jīng)負(fù)載電阻R R流流 過過, , R R兩端就有電壓兩端就有電壓; ;在時(shí)間內(nèi)開關(guān)在時(shí)間內(nèi)開關(guān)T T斷開時(shí)斷開時(shí), , R R 中電流為零中電流為零, ,電壓也變?yōu)榱?。電壓也變?yōu)榱恪?電路中開關(guān)的占空比電路中開關(guān)的占空比 T TS S為開關(guān)為開關(guān)T T的工作周期的工作周期, ,t ton on為導(dǎo)通時(shí)間。 為導(dǎo)通時(shí)間。 由波形圖可得到由波形圖可得到輸出電壓平均值輸出電壓平均值為為 若認(rèn)為開關(guān)若認(rèn)為開關(guān)T T無(wú)損耗無(wú)損耗, ,則則輸入功率輸入功率為為 式（式（3.1.23.1.2）中）中U Ud d為輸入直流電壓。為輸入直流電壓。 輸出電壓平均值的改變輸出電

4、壓平均值的改變: :因?yàn)橐驗(yàn)镈 D是是0 01 1之間變化的之間變化的 系數(shù)系數(shù), ,因此在因此在D D的變化范圍內(nèi)輸出電壓的變化范圍內(nèi)輸出電壓U UO O總是小于輸總是小于輸 入電壓入電壓U Ud d, ,改變改變D D值就可以改變其大小。值就可以改變其大小。 占空比的改變占空比的改變: :通過改變通過改變t ton on 或 或T TS S來(lái)實(shí)現(xiàn)。來(lái)實(shí)現(xiàn)。 l圖圖3.1.1 基本的斬波器電路基本的斬波器電路 l 及其負(fù)載波形及其負(fù)載波形 S on T t D dd S on T dO DUU T t dtuU S 0（3.1. 2） （3.1.1） （ 3.1.3） S DT d S R

5、U Ddtiu T P 0 2 00 1 2021/3/233 3.1 3.1 直流變換電路的工作原理直流變換電路的工作原理 直流變換電路的常用工作方式主要有兩種直流變換電路的常用工作方式主要有兩種: : 脈沖頻率調(diào)制脈沖頻率調(diào)制(PFM)(PFM)工作方式工作方式: : 即維持不變即維持不變, ,改變改變T TS S。在這種調(diào)壓方式中。在這種調(diào)壓方式中, , 由于輸出電壓波形的周期是變化的由于輸出電壓波形的周期是變化的, ,因此輸出諧因此輸出諧 波的頻率也是變化的波的頻率也是變化的, ,這使得濾波器的設(shè)計(jì)比較這使得濾波器的設(shè)計(jì)比較 困難困難, ,輸出諧波干擾嚴(yán)重輸出諧波干擾嚴(yán)重, ,一般很少

6、采用。一般很少采用。 脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(PWM)(PWM)工作方式工作方式: : 即維持即維持T TS S不變不變, ,改變。在這種調(diào)壓方式中改變。在這種調(diào)壓方式中, , 輸出電壓波形的周期是不變的輸出電壓波形的周期是不變的, ,因此輸出諧波的因此輸出諧波的 頻率也不變頻率也不變, ,這使得濾波器的設(shè)計(jì)容易。這使得濾波器的設(shè)計(jì)容易。 2021/3/234 3.2 3.2 降壓變換電路降壓變換電路 原理圖原理圖 續(xù)流二極續(xù)流二極 管管 全控型電力器全控型電力器 件件 輸入輸入 直流直流 電壓電壓 濾波電濾波電 感感 濾波電容濾波電容 負(fù)負(fù) 載載 2021/3/235 3.2 3.2 降壓變換電路

7、降壓變換電路 導(dǎo)通期間（導(dǎo)通期間（t ton on ） ）: :電力開關(guān)器件電力開關(guān)器件 導(dǎo)通導(dǎo)通, ,電感蓄能電感蓄能, ,二極管二極管D D反偏。反偏。 等效電路如圖等效電路如圖3.2.1 (b)3.2.1 (b)所示所示 ; ; 關(guān)斷期間（關(guān)斷期間（t toff off） ）: :電力開關(guān)器件電力開關(guān)器件 斷開斷開, ,電感釋能電感釋能, ,二極管二極管D D導(dǎo)通續(xù)流。導(dǎo)通續(xù)流。 等效電路如等效電路如3.2.1(c)3.2.1(c)所示所示; ; 由波形圖由波形圖3.2.1(b)3.2.1(b)可以計(jì)算出可以計(jì)算出輸輸 出電壓的平均值出電壓的平均值為為: : 圖圖3.2.1 降壓電路及其

8、波形圖降壓電路及其波形圖 ( (3.2.3) ) dd O d O I D I U U I 1 )0( 1 )( 1 00 00 S on onS T t t d S T S dtdtu T dttu T U dd S on DUU T t 忽略器件功率損耗忽略器件功率損耗, ,即即 輸入輸出電流關(guān)系輸入輸出電流關(guān)系為為: : 2021/3/236 3.2 3.2 降壓變換電路降壓變換電路 v電感中的電流電感中的電流i iL L是否連續(xù)是否連續(xù), ,取決于開關(guān)頻率、濾波電感取決于開關(guān)頻率、濾波電感L L和電容和電容C C的數(shù)值。的數(shù)值。 圖圖3.2.2 電感電流波形圖電感電流波形圖 v Buc

9、k變換器的可能運(yùn)行情況變換器的可能運(yùn)行情況: : 電感電流連續(xù)模式電感電流連續(xù)模式 電感電流臨界電感電流臨界 連續(xù)狀態(tài)連續(xù)狀態(tài) 電感電流斷流模式電感電流斷流模式 2021/3/237 3.2 3.2 降壓變換電路降壓變換電路 (3.2.4) dt di Lu L L on L on Od t I L t II LUU 12 Od L on UU LI t )( l1 1）電感電流）電感電流i iL L連續(xù)模式連續(xù)模式 : : 在在t ton on期間 期間: :電感上的電壓為電感上的電壓為 由于電感由于電感L L和電容和電容C C無(wú)損耗無(wú)損耗, ,因此因此i iL L從從I I1 1線性增長(zhǎng)至

10、線性增長(zhǎng)至I I2 2, ,上式可上式可 以寫成以寫成 式中式中I IL L=I=I2 2I I1 1為電感上電流的變化量為電感上電流的變化量,U,UO O為輸出電壓的平均值。為輸出電壓的平均值。 2021/3/238 3.2 3.2 降壓變換電路降壓變換電路 (3.2.5) (3.2.6) (3.2.7) (3.2.8) (3.2.9) off L O t I LU O L off U I Lt ） OdO dL offonS UUU LUI tt f T ( 1 fL DDU fLU UUU I d d OdO L )1 ()( 2 12 0 II I )1 ( 2 01 DD L TU

11、II Sd l1 1）電感電流）電感電流i iL L連續(xù)模式連續(xù)模式 : : 在在t toff off期間 期間: :假設(shè)電感中的電流假設(shè)電感中的電流i iL L從從I I2 2線性下降到線性下降到I I1 1, ,則有則有 l根據(jù)式根據(jù)式(3.2.4)(3.2.4)、(3.2.5)(3.2.5)可求出開關(guān)周期可求出開關(guān)周期S S為為 l 上式中上式中IL為流過電感電流的峰峰值為流過電感電流的峰峰值,最大為最大為I2,最小為最小為I1。電感。電感 電流一周期內(nèi)的平均值與負(fù)載電流電流一周期內(nèi)的平均值與負(fù)載電流IO相等相等,即將式即將式(3.2.7)、(3.2.8)同時(shí)同時(shí) 代入關(guān)系式代入關(guān)系式I

12、L= I2I1可得可得 2021/3/239 3.2 3.2 降壓變換電路降壓變換電路 2 2）電感電流）電感電流i iL L臨界連續(xù)狀態(tài)臨界連續(xù)狀態(tài): : 變換電路工作在臨界連續(xù)狀態(tài)時(shí)變換電路工作在臨界連續(xù)狀態(tài)時(shí), ,即有即有I I1 1=0=0, ,由由 可得維持電流臨界連續(xù)的電感值可得維持電流臨界連續(xù)的電感值L L0 0為為: : 即電感電流臨界連續(xù)時(shí)的負(fù)載電流平均值為即電感電流臨界連續(xù)時(shí)的負(fù)載電流平均值為 : : 式中式中I Iok ok為電感電流臨界連續(xù)時(shí)的負(fù)載電流平均值。 為電感電流臨界連續(xù)時(shí)的負(fù)載電流平均值。 總結(jié)總結(jié): :臨界負(fù)載電流臨界負(fù)載電流IokIok與輸入電壓與輸入電壓

13、UdUd、電感、電感L L、開關(guān)頻率、開關(guān)頻率f f以及開關(guān)以及開關(guān) 管管T T的占空比的占空比D D都有關(guān)。都有關(guān)。 當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流I Io o I Iok ok時(shí) 時(shí), ,電感電流連續(xù)電感電流連續(xù); ; 當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流I Io o = I = Iok ok時(shí) 時(shí), ,電感電流處于連續(xù)（有斷流臨界點(diǎn)）電感電流處于連續(xù)（有斷流臨界點(diǎn)）; ; 當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流I Io o I Iok ok時(shí) 時(shí), ,電感電流斷流電感電流斷流; ; (3.2.10) (3.2.1 1) )1 ( 2 01 DD L TU II Sd )1 ( 2 0 DD I TU L K

14、 Sd o )1( 2 DD L TU I O Sd OK 2021/3/2310 3.2 3.2 降壓變換電路降壓變換電路 v輸出紋波電壓輸出紋波電壓: : 在在BuckBuck電路中電路中, ,如果濾波電容如果濾波電容C C的容量足夠大的容量足夠大, ,則輸則輸 出電壓出電壓U U0 0為常數(shù)。然而在電容為常數(shù)。然而在電容C C為有限值的情況為有限值的情況 下下, ,直流輸出電壓將會(huì)有紋波成份。直流輸出電壓將會(huì)有紋波成份。 電流連續(xù)時(shí)的輸出電壓紋波電流連續(xù)時(shí)的輸出電壓紋波為為 其中其中f f為為buckbuck電路的開關(guān)頻率電路的開關(guān)頻率, , f fc c為電路的截止頻率。為電路的截止頻

15、率。 它表明通過選擇合適的它表明通過選擇合適的L L、C C值值, ,當(dāng)滿足當(dāng)滿足f fc cf f 時(shí)時(shí), ,可以限制可以限制 輸出紋波電壓的大小輸出紋波電壓的大小, ,而且紋波電壓的大小與負(fù)載無(wú)關(guān)。而且紋波電壓的大小與負(fù)載無(wú)關(guān)。 2 2 2 0 0 )(1 ( 28 )1 ( f f D LCf D U U c （3.2.14） 2021/3/2311 3.3 3.3 升壓變換電路升壓變換電路 1) 1) 定義定義: :直流輸出電壓的平均值高于輸入電壓的變直流輸出電壓的平均值高于輸入電壓的變 換電路稱為升壓變換電路換電路稱為升壓變換電路, ,又叫又叫BoostBoost電路。電路。 全控型

16、全控型 電力器電力器 件開關(guān)件開關(guān) 儲(chǔ)能儲(chǔ)能 保持輸出保持輸出 電壓電壓 2 2）原理圖）原理圖 2021/3/2312 3.3 3.3 升壓變換電路升壓變換電路 3 3）工作原理）工作原理: : t ton on工作期間 工作期間: :二極管反偏二極管反偏 截止截止, ,電感電感L L儲(chǔ)能儲(chǔ)能, ,電容電容C C 給負(fù)載給負(fù)載R R提供能量。提供能量。 t toff off工作期間 工作期間: :二極管二極管 導(dǎo)通導(dǎo)通, ,電感電感L L經(jīng)二極管給經(jīng)二極管給 電容充電電容充電, ,并向負(fù)載并向負(fù)載R RL L提提 供能量。供能量。 可得可得: : 式中占空比式中占空比D=tD=ton on/

17、T /TS S, ,當(dāng)當(dāng)D=0D=0時(shí)時(shí), ,U U0 0=U=Ud d, , 但但D D不能為不能為1 1, ,因此在因此在 0D0D1 1的變化范圍內(nèi)的變化范圍內(nèi) U Uo oUUin in圖圖3.3.1 升壓變換電路及其波形升壓變換電路及其波形 D U U t tt U d d off offon 1 0 2021/3/2313 3.3 3.3 升壓變換電路升壓變換電路 4 4）BuckBuck變換器的可能運(yùn)行情況變換器的可能運(yùn)行情況: : 根據(jù)在理想狀態(tài)下根據(jù)在理想狀態(tài)下, ,電路的輸出功率等于輸入功率電路的輸出功率等于輸入功率, ,參參 考降壓變換電路的計(jì)算方法考降壓變換電路的計(jì)算方

18、法, ,可得可得電感電流臨界連續(xù)時(shí)的負(fù)電感電流臨界連續(xù)時(shí)的負(fù) 載電流平均值載電流平均值為為: : 當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流I Io oI Ick ck時(shí) 時(shí), ,電感電流連續(xù)。電感電流連續(xù)。 當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流I Io o = I = Ick ck時(shí) 時(shí), ,電感電流處于臨界連電感電流處于臨界連 續(xù)續(xù)( (有斷流臨界點(diǎn)有斷流臨界點(diǎn)) )。 當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流I Io oI Ick ck時(shí) 時(shí), ,電感電流斷流電感電流斷流。 d O S OK U L DT I 2 (2.3.11) 2021/3/2314 3.3 3.3 升壓變換電路升壓變換電路 T T導(dǎo)通時(shí)為電感導(dǎo)通時(shí)

19、為電感L L 儲(chǔ)能階段儲(chǔ)能階段, ,此時(shí)電源此時(shí)電源 不向負(fù)載提供能量不向負(fù)載提供能量, , 負(fù)載靠?jī)?chǔ)于電容負(fù)載靠?jī)?chǔ)于電容C C的的 能量維待工作。能量維待工作。 T T阻斷時(shí)阻斷時(shí), ,電源和電源和 電感共同向負(fù)載供電電感共同向負(fù)載供電, , 同時(shí)給電容同時(shí)給電容 C C充電充電。 圖圖3.3.1 升壓變換電路及其波形升壓變換電路及其波形 總結(jié)總結(jié): :電感電流連電感電流連 續(xù)時(shí)續(xù)時(shí)BoostBoost變換器的變換器的 工作分為兩個(gè)階段工作分為兩個(gè)階段: : 2021/3/2315 3.3 3.3 升壓變換電路升壓變換電路 沒有電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)的沒有電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)的BoostBoost變換器不宜在

20、輸出端開路情變換器不宜在輸出端開路情 況下工作況下工作: :因?yàn)榉€(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)因?yàn)榉€(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí), ,開關(guān)管開關(guān)管T T導(dǎo)通期間導(dǎo)通期間 ( )( )電源輸入到電感電源輸入到電感L L中的磁能中的磁能, ,在在T T截止期間通截止期間通 過二極管過二極管D D轉(zhuǎn)移到輸出端轉(zhuǎn)移到輸出端, ,如果負(fù)載電流很小如果負(fù)載電流很小, ,就會(huì)出現(xiàn)電流就會(huì)出現(xiàn)電流 斷流情況。如果負(fù)載電阻變得很大斷流情況。如果負(fù)載電阻變得很大, ,負(fù)載電流太小負(fù)載電流太小, ,這時(shí)若這時(shí)若 占空比占空比D D仍不減小、仍不減小、t ton on不變、電源輸入到電感的磁能必使 不變、電源輸入到電感的磁能必使 輸出電壓不斷增加。輸出電壓

21、不斷增加。 Son DTt 總總 結(jié)結(jié): Boost電路對(duì)電源的輸人電流（也即通過二極管電路對(duì)電源的輸人電流（也即通過二極管D的的 電流）就是升壓電感電流）就是升壓電感L電流電流,電流平均值為電流平均值為:I0=(I2-I1)/2。 實(shí)際中實(shí)際中,選擇電感電流的增量選擇電感電流的增量IL時(shí)時(shí),應(yīng)使電感的應(yīng)使電感的 峰值電流峰值電流Id+IL不大于最大平均直流輸入電流不大于最大平均直流輸入電流Id的的20%, 以防止電感以防止電感L飽和失效。飽和失效。 Boost變換器的效率很高變換器的效率很高,一般可達(dá)一般可達(dá)92%以上。以上。 2021/3/2316 第第3 3章章 直流變換電路直流變換電路

22、 3.13.1 直流變換電路的工作原理直流變換電路的工作原理 3.2 3.2 降壓變換電路降壓變換電路 3.3 3.3 升壓變換電路升壓變換電路 3.4 3.4 升降壓變換電路升降壓變換電路 3.5 3.5 庫(kù)克變換電路庫(kù)克變換電路 3.6 3.6 帶隔離變壓器的直流變換器帶隔離變壓器的直流變換器 3.7 3.7 直流變換電路的直流變換電路的PWMPWM控制技術(shù)控制技術(shù) 2021/3/2317 3.4 3.4 升降壓變換電路升降壓變換電路 1) 1) 概述概述: : 升降壓變換電路（又稱升降壓變換電路（又稱Buck-boostBuck-boost電路）的輸電路）的輸 出電壓平均值可以大于或小于

23、輸入直流電壓出電壓平均值可以大于或小于輸入直流電壓, ,輸出電壓與輸出電壓與 輸入電壓極性相反輸入電壓極性相反, ,其電路原理圖如圖其電路原理圖如圖3.4.1(a)3.4.1(a)所示。所示。 它主要用于要求輸出與輸入電壓反相它主要用于要求輸出與輸入電壓反相, ,其值可大于其值可大于 或小于輸入電壓的直流穩(wěn)壓電源?；蛐∮谳斎腚妷旱闹绷鞣€(wěn)壓電源。 l圖圖3.4.1升降壓變換電路原理圖升降壓變換電路原理圖 2021/3/2318 3.4 3.4 升降壓變換電路升降壓變換電路 2 2）工作原理）工作原理: : t ton on期間 期間, ,二極管二極管D D反偏而關(guān)斷反偏而關(guān)斷, ,電感電感 儲(chǔ)能儲(chǔ)能, ,濾波電容濾波電容C C向負(fù)載提供能量。向負(fù)載提供能量。 l圖圖3.4.1 升降壓變換電路及升降壓變換電路及 其工作波形其工作波形 (3.4.4)(3.4.4) (3.4.1)(3.4.1) off L t I LU 0 on L on d t I L t II LU 12 toff期間期間, ,當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 大小超過輸出電壓大小超過輸出電壓U U0 0時(shí)時(shí), ,二二 極管極管D D導(dǎo)通導(dǎo)通, ,電感經(jīng)電感經(jīng)D D向向C C和和 R RL L反向放電反向放電, ,使輸出電壓的使輸出電壓的 極性與輸入電壓相反。極性與輸入電壓相反。 2021/3/2319