第十講DC-DC變換(一)

1、第3章 直流/直流變換器第九講第九講 直流斬波電路分析直流斬波電路分析v直流斬波電路（DC Chopper） 將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電 也稱(chēng)為直接直流-直流變換器（DC/DC Converter） 一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡话ㄖ绷鹘涣髦绷?習(xí)慣上，DCDC變換器包括以上兩種情況，且甚至更多地指后一種情況 v直流斬波電路的種類(lèi)6種基本斬波電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路，其中前兩種是最基本的電路復(fù)合斬波電路不同基本斬波電路組合多相多重?cái)夭娐废嗤Y(jié)構(gòu)基本斬波電路組合 第3章 直流/直流變換器 斬

2、波電路三種控制方式 T不變，變ton脈沖寬度調(diào)制（PWM）。 ton不變，變T 頻率調(diào)制。 ton和T都可調(diào)，改變占空比混合型。2此種方式應(yīng)用最多第2章介紹過(guò)：電力電子電路的實(shí)質(zhì)上是分時(shí)段線性電路的思想?；凇胺侄尉€性”的思想，對(duì)降壓斬波電路進(jìn)行解析。分V處于通態(tài)和處于斷態(tài)初始條件分電流連續(xù)和斷續(xù)第3章 直流/直流變換器第五章第五章 直流直流/ /直流變換器直流變換器5.1 直流/直流降壓變換器(Buck變換器)5.2 直流/直流升壓變換器(Boost變換器)5.3 直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)5.4 直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)5.5 帶隔離變壓器的直流/直流變

3、換器第3章 直流/直流變換器n工作原理n外特性n 元器件選擇和設(shè)計(jì)5.1降壓變換器（Buck變換器）第3章 直流/直流變換器 Ui = 100V Uo = 50V Io = 10A設(shè)計(jì)要求：直流變換器UiRLdUo+_DC-DC變換器第3章 直流/直流變換器 Ui = 100V Uo = 50V Io = 10A設(shè)計(jì)要求：直流變換器：電阻分壓 = UoIo/UiIo = Uo/Ui = 50/100 = 50%Ploss =5010 =500(W)UR = 100-50 =50(V)UiRLdUo+_ 效率太低!無(wú)法自動(dòng)穩(wěn)壓!第3章 直流/直流變換器UiRLdUo+_ Ui = 100V Uo

4、 = 50V Io = 10A設(shè)計(jì)要求：直流變換器：線性模式 = UoIo/UiIo = Uo/Ui = 50/100 = 50%UQ = 100-50 =50(V) 效率太低!無(wú)法自動(dòng)穩(wěn)壓!PQ = UQ IQ = 5010 =500(W)可以自動(dòng)穩(wěn)壓!線性放大器和基極驅(qū)動(dòng)_+Vref第3章 直流/直流變換器QUiRLdUo+_ Ui = 100V Uo = 50V Io = 10A設(shè)計(jì)要求：01sToosUu dtT直流變換器：開(kāi)關(guān)模式ttuo100V0ubeTonTs1ionsUTTonisTUTonsTDTiUDTon：導(dǎo)通時(shí)間Ts： 開(kāi)關(guān)周期D： 占空比50V第3章 直流/直流變換器

5、QUiRLdUo+_ Ui = 100V Uo = 50V Io = 10A設(shè)計(jì)要求：Q on: PQ(on) = Vces Io 0 100%Ploss 0Q off: PQ(off) = Vin Iceo 0直流變換器：開(kāi)關(guān)模式ttuo100V0ubeTonTs可以自動(dòng)穩(wěn)壓!oiUD U 效率很高！第3章 直流/直流變換器QUiRLdUo+_濾波器續(xù)流二極管DBuck變換器降壓式變換器LfCf第3章 直流/直流變換器n工作原理n外特性n 元器件選擇和設(shè)計(jì)5.1 Buck變換器第3章 直流/直流變換器Q ON工作原理：電感電流連續(xù)QUiLfCfRLdUo+_DLfioUUULffdiLdtU

6、Lf+_iLf( )ioLfonfUUITLABttubeiLfILfminILfmaxtuABUi0tuLfUi- Uo-Uo0Io00TonToffTs第3章 直流/直流變換器QUiLfCfRLdUo+_DULf+_iLfQ OFF工作原理：電感電流連續(xù)LfoUU LffdiLdt( )oLfofffUITLABttubeiLfILfminILfmaxtuABUi0tuLfUi- Uo-Uo0Io00TonToffTs第3章 直流/直流變換器輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系工作原理：電感電流連續(xù)( )oLfofffUITL( )ioLfonfUUITL( )( )LfLfII iooonoff

7、ffUUUTTLLoonionoffUTUTTonsTTD占空比ttubeiLfILfminILfmaxtuABUi0tuLfUi- Uo-Uo0Io00TonToffTs脈沖寬度調(diào)制(Pulse-Width Modulation)脈沖頻率調(diào)制Pulse-Frequency Modulation第3章 直流/直流變換器minmax12oLfLfIII輸出電流平均值ioLfsfUUID TL濾波電感電流脈動(dòng)值（即紋波電流）提問(wèn)：當(dāng)Ui和Uo一定時(shí)，如果負(fù)載電流變化，電感電流脈動(dòng)是 否變化？工作原理：電感電流連續(xù)ttubeiLfILfminILfmaxtuABUi0tuLfUi- Uo-Uo0Io

8、00TonToffTs第3章 直流/直流變換器工作原理：電感電流斷續(xù)QUiLfCfRLdUo+_DQUiLfCfRLdUo+_DULf+_iLfQUiLfCfRLdUo+_DULf+_iLfABttubeiLfILfminILfmaxtuABUi0tuLfUi- Uo-Uo0Io00TonToffTs第3章 直流/直流變換器ttubeiLfILfmaxtuABUi0tuLfUi- Uo- Uo0Io00TonToffTs電感電流臨界連續(xù)據(jù)圖可知電感電流連續(xù)臨界電流值，即有負(fù)載最小電流：ILfmin = 0minmax12GoLfIIImaxioLfLfsfUUIID TL (1)2isGfU

9、TIDDL第3章 直流/直流變換器QUiLfCfRLdUo+_DBuck變換器的元器件參數(shù)選擇已知條件： 輸入電壓Ui(變化范圍) 輸出電壓Uo 輸出電流Io 輸出電壓穩(wěn)定精度 輸出電壓紋波元器件參數(shù)選擇： 功率晶體管 二極管 濾波電感 濾波電容第3章 直流/直流變換器QUiLfCfRLdUo+_D變換效率的近似計(jì)算雙極性晶體管2oicesUUU如果fs20kHz，可近似認(rèn)為其導(dǎo)通損耗等于開(kāi)關(guān)損耗。功率MOSFEToiDSUUU如果fs100kHz，可忽略其開(kāi)關(guān)損耗。第3章 直流/直流變換器功率晶體管選擇：類(lèi)型QUiLfCfRLdUo+_D開(kāi)關(guān)頻率晶體管類(lèi)型選擇功率管類(lèi)型50kHz低頻功率管開(kāi)

10、關(guān)功率管功率MOSFET如果功率較大，可選用IGBT。第3章 直流/直流變換器QUiLfCfRLdUo+_DttubeiLfILfminILfmaxIo00TonToffTs功率晶體管電壓和電流應(yīng)力平均電流：QiIIoD I峰值電流：2QPoiIImaxmaxoGII電壓應(yīng)力：ceiUU功率晶體管ICM 2IQPU(BR)ceo 2Ui第3章 直流/直流變換器二極管類(lèi)型選擇QUiLfCfRLdUo+_Dn開(kāi)關(guān)二極管、快恢復(fù)二極管或者FRED；二極管類(lèi)型選擇n輸出電壓較低時(shí)，如5V以下，需要采用功率MOSFET來(lái)替 代整流二極管，即同步整流。n電壓低于40V時(shí)，可選用肖特基二極管；第3章 直流/

11、直流變換器QUiLfCfRLdUo+_DttubeiLfILfminILfmaxIo00TonToffTs二極管電壓和電流應(yīng)力平均電流：OFDosTIIT1oID有效值電流近似值：201OFTDrmsosII dtT1oID電壓應(yīng)力：DiUUUDR 2Ui第3章 直流/直流變換器QUiLfCfRLdUo+_DttubeiLfILfminILfmaxIo00TonToffTs濾波電感量的計(jì)算ioLfsfUUID TLILf過(guò)小，Lf太大。ILf過(guò)大，Lf太損耗太大，且Uo脈動(dòng)大。工程上一般取ILf=20%Io。在10%Io時(shí)，電感電流連續(xù)。0.2iofsoUULD TI第3章 直流/直流變換器Q

12、UiLfCfRLdUo+_DttubeiLfILfminILfmaxIo00TonToffTs濾波電容量的計(jì)算輸出電流脈動(dòng)很小0.2ioLfsoUUID TIILf全部流過(guò)電容201sTcLffUi dtC11222LfsfITC8LffsIC f8LffcsICU f電容電壓變化量（即紋波電壓值）為第3章 直流/直流變換器26 全控型器件 若為晶閘管，須有輔助關(guān)斷電路。續(xù)流二極管負(fù)載出現(xiàn)的反電動(dòng)勢(shì)典型用途之一是拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載。思考上圖中Uo，Io計(jì)算式是怎樣的？第3章 直流/直流變換器討論例題5-1：設(shè)計(jì)Buck變換器，電源電壓Vs=147-220V，額定負(fù)載電流11A，最

13、小負(fù)載電流1.1A，開(kāi)關(guān)頻率20kHz。要求輸出電壓Vo=110V；紋波小于1%，且最小負(fù)載時(shí)電感電流連續(xù)。試確定L、C、開(kāi)關(guān)管T和二極管D。提問(wèn)：課后習(xí)題1-3、5-827第3章 直流/直流變換器QUiLfCfRLdUo+_DttubeiLfILfminILfmaxIo00TonToffTs功率晶體管電壓和電流應(yīng)力平均電流：QiIIoD I峰值電流：2QPoiIImaxmaxoGII電壓應(yīng)力：ceiUU功率晶體管ICM 2IQPU(BR)ceo 2Ui第3章 直流/直流變換器QUiLfCfRLdUo+_DttubeiLfILfminILfmaxIo00TonToffTs二極管電壓和電流應(yīng)力平

14、均電流：OFDosTIIT1oID有效值電流近似值：201OFTDrmsosII dtT1oID電壓應(yīng)力：DiUUUDR 2Ui第3章 直流/直流變換器QUiLfCfRLdUo+_DttubeiLfILfminILfmaxIo00TonToffTs濾波電感量的計(jì)算ioLfsfUUID TLILf過(guò)小，Lf太大。ILf過(guò)大，Lf太損耗太大，且Uo脈動(dòng)大。工程上一般取ILf=20%Io。在10%Io時(shí)，電感電流連續(xù)。0.2iofsoUULD TI第3章 直流/直流變換器QUiLfCfRLdUo+_DttubeiLfILfminILfmaxIo00TonToffTs濾波電容量的計(jì)算輸出電流脈動(dòng)很小0

15、.2ioLfsoUUID TIILf全部流過(guò)電容201sTcLffUi dtC11222LfsfITC8LffsIC f8LffcsICU f電容電壓變化量（即紋波電壓值）為第3章 直流/直流變換器n工作原理n外特性n 元器件選擇和設(shè)計(jì)5.2 Boost變換器第3章 直流/直流變換器Q ON電感電流連續(xù)(1)LbiUULbbdiLdt( )iLbonbUITL第3章 直流/直流變換器Q OFF電感電流連續(xù)(2)LbioUUULbbdiLdt( )oiLboffbUUITL第3章 直流/直流變換器輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系電感電流連續(xù)(3)( )oiLboffbUUITL( )iLbonbUI

16、TL( )( )LbLbII ioionoffbbUUUTTLLonoffoioffTTUUT11D第3章 直流/直流變換器電感電流斷續(xù)(1)第3章 直流/直流變換器電感電流臨界連續(xù)(1)當(dāng)電感電流連續(xù)臨界電流值，即有負(fù)載最小電流（因?yàn)門(mén)off期間負(fù)載才有電流）ILbmin = 0min1 12GoLboffsIII TTmaxiLbLbsbUIID TL (1)2isGbU TIDDL第3章 直流/直流變換器平均輸入電流：oiiPIU峰值電流：2LbQPiIII電壓應(yīng)力：ceoUU功率晶體管ICM 2IQPU(BR)ceo 2Uo功率晶體管元器件選擇和設(shè)計(jì)第3章 直流/直流變換器有效值電流近

17、似值：電壓應(yīng)力：DoUU平均電流：二極管1DiIID1DrmsiIIDUBR 2Uo第3章 直流/直流變換器電感量：升壓電感min(1)2isoGbU TIIDDL臨界連續(xù)輸出電流：min(1)2isboU TLDDI2min(1)2osboU TLDDIUo恒定Ui恒定min1 12GoLboffsIII TT第3章 直流/直流變換器電容量：濾波電容onooLdfTUUR C輸出電壓紋波：電容放電電容充電%ooUU2100100ofsLdsoDPDCfRfU第3章 直流/直流變換器討論例題5-2：設(shè)計(jì)Boost變換器，電源電壓Vs=10-30V，最大輸出功率100w，負(fù)載最大電流2.08A，最小輸出功率10W，最小負(fù)載電流0.208A，開(kāi)關(guān)頻率40kHz。要求輸出恒值電壓Vo=48V；紋波小于1%，且最小負(fù)載時(shí)電感電流連續(xù)。試確定L、C、開(kāi)關(guān)管T和二極管D。提問(wèn)：課后習(xí)題1-3、5-842第3章 直流/直流變換器電感電流臨界連續(xù)(1)當(dāng)電感電流連續(xù)臨界電流值，即有負(fù)載最小電流（因?yàn)門(mén)off期間負(fù)載才有電流）ILbmin =