直流-直流變換電路精華匯編資料

1、電力電子(dinz)技術(shù)第二章 直流直流變換(binhun)電路 主講： 任 國 海 電話:電郵: 答疑: 理工樓3-103共六十七頁2.1 概述(i sh)1、直流直流變換電路及功能 直流直流（DCDC）變換電路是將一組電參數(shù)(cnsh)的直流電能變換為另一組電參數(shù)(cnsh)的直流電能的電路。 直流電幅值變換 直流電極性變換 直流電路阻抗變換 有源濾波共六十七頁2.1 概述(i sh)2、變換電路的分類(fn li)（1）無變壓器隔離： 降壓式變換電路（Buck電路） 升壓式變換電路（Boost電路 升降壓式變換電路（Buck-Boost電路） 庫克電路（Cuk電

2、路） Sepic電路 Zeta電路 （2）變壓器隔離： 正激式變換電路 反激式變換電路 橋式隔離變換電路 推挽變換電路共六十七頁2.1 概述(i sh)3、基本概念（1）占空比的定義： 開關(guān)接通的占空比定義為D， 其中ton 為開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，TS為開關(guān)周期。（2）脈沖寬度調(diào)制（PWM）或脈沖頻率調(diào)制（PFM）所謂脈沖寬度調(diào)制的方法是一種在整個(gè)工作過程中，開關(guān)頻率不變，而開關(guān)接通的時(shí)間按照(nzho)要求變化的方法。所謂脈沖頻率調(diào)制的方法是一種在整個(gè)工作過程中，開關(guān)接通的時(shí)間不變，而開關(guān)頻率按照要求變化的方法。共六十七頁開關(guān)(kigun)導(dǎo)通時(shí)等效電路開關(guān)(kigun)關(guān)斷時(shí)等效電路基本電路結(jié)構(gòu)

3、2.2 降壓式變換電路（Buck電路）一、BUCK電路基本結(jié)構(gòu)共六十七頁 二、等效的電路模型及基本規(guī)律（1）從電路可以看出，電感L和電容C組成低通濾波器，此濾 波器設(shè)計(jì) 的原則是使 us(t)的直流分量可以通過，而抑制(yzh) us(t) 的諧波分量通過；電容上輸出電壓 uo(t)就是 us(t) 的 直流分量再附加微小紋波uripple(t) 。 2.2 降壓式變換(binhun)電路（Buck電路）共六十七頁（2）電路工作頻率很高，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電容充 放電引起的紋波uripple(t) 很小，相對(duì)于電容上 輸出的直流電壓Uo有： 電容 上電壓宏觀上可以(ky)看作恒定。 電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)

4、，輸出電容上電壓由微小的紋波和較大的直流分量組成，宏觀上可以看作是恒定直流，這就是開關(guān)電路穩(wěn)態(tài)分析中的小紋波近似原理。2.2 降壓式變換(binhun)電路（Buck電路）共六十七頁2.2 降壓(jin y)式變換電路（Buck電路） （3）一個(gè)周期內(nèi)電容充電電荷高于放電電荷時(shí)，電容電壓升高，導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷減小、放電電荷增加，使電容電壓上升速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達(dá)到充放電平衡，此時(shí)電壓維持不變；反之(fnzh)，如果一個(gè)周期內(nèi)放電電荷高于充電電荷，將導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷增加、放電電荷減小，使電容電壓下降速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達(dá)到充放電平衡，最終維持電壓不變。 這種過程是電

5、容上電壓調(diào)整的過渡過程，在電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，電路達(dá)到穩(wěn)定平衡，電容上充放電也達(dá)到平衡，這是電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的一個(gè)普遍規(guī)律。共六十七頁（4）開關(guān)S置于1位時(shí)，電感電流增加，電感儲(chǔ)能；而當(dāng)開關(guān)S 置于2位時(shí)，電感電流減小，電感釋能。假定電流增加量大于 電流減小量，則一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感上磁鏈增量為： 此增量將產(chǎn)生一個(gè)平均感應(yīng)電勢(shì)： 此電勢(shì)將減小電感電流的上升(shngshng)速度并同時(shí)降低電感電流的下降速度，最終將導(dǎo)致一個(gè)周期內(nèi)電感電流平均增量為零；一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感上磁鏈增量小于零的狀況也一樣。 這種在穩(wěn)態(tài)狀況下一個(gè)周期內(nèi)電感電流平均增量（磁鏈平均增量）為零的現(xiàn)象稱為：電感伏秒平衡。 這也是電力電子

6、電路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的又一個(gè)普遍規(guī)律。2.2 降壓式變換(binhun)電路（Buck電路） 共六十七頁三、電感電流連續(xù)(linx)工作模式（CCM）下穩(wěn)態(tài)工作過程分析開關(guān)(kigun)導(dǎo)通時(shí)等效電路開關(guān)關(guān)斷時(shí)等效電路BUCK電路 結(jié)構(gòu)2.2 降壓式變換電路（Buck電路） 共六十七頁 a、 晶體管導(dǎo)通狀態(tài)（t0 t t1=DT） VD關(guān)斷，依據(jù)等效電路拓?fù)?，有?由于(yuy)電路工作頻率很高，一個(gè)周期內(nèi)ud 和 uo基本維持不變，可以視為恒定值，則（ud- uo）為常數(shù)，電流變化為線性，波形如圖4-2，有： （io恒定，iC與iL同斜率）2.2 降壓式變換(binhun)電路（Buck電路） 共

7、六十七頁b、 二極管VD導(dǎo)通模式（t1 t t2=T ） 晶體管關(guān)斷，電感(din n)續(xù)流，二極管導(dǎo)通，依據(jù)電路等效拓?fù)溆校?同樣，由于uo視為維持不變，則輸出電流線性減小，波形如圖4-2，有： （io恒定(hngdng)，iC與iL同斜率）2.2 降壓式變換電路（Buck電路） 共六十七頁共六十七頁四、電感電流連續(xù)工作模式（CCM）下基本輸入輸出關(guān)系 從等效電路模型的分析可以知道，電容上輸出電壓uo(t)就是us(t) 的直流分量(fn ling)再附加微小紋波 uripple(t) ，且 ，晶體管導(dǎo)通時(shí) ，晶體管關(guān)斷時(shí) ，則us(t) 的直流分量為： 忽略電路工作產(chǎn)生的損耗，輸入輸出能量

8、守恒，則有： 其中：Iin為輸入平均電流（直流電流），Io為輸出直流電流，D為 占空比 ，Ud為輸入直流電壓，Uo 輸出直流電壓 2.2 降壓式變換(binhun)電路（Buck電路） 共六十七頁五、電感(din n)電流連續(xù)工作模式（CCM）下電感電流和輸出電 壓脈動(dòng)分析 考慮到穩(wěn)態(tài)工作時(shí)電感伏秒平衡的特點(diǎn)，電感充放電過程電流波動(dòng)值相等，依據(jù)前面的分析，晶體管導(dǎo)通時(shí)有： 考慮到輸出電壓脈動(dòng)很小，有 iL iC，且有一周期內(nèi)電容充放電平衡，根據(jù)圖4-2中ic波形，Q的時(shí)間為T/2，則電容紋波峰峰值為（充放電波形如圖43）： 2.2 降壓(jin y)式變換電路（Buck電路） 共六十七頁2.2

9、 降壓(jin y)式變換電路（Buck電路） 電容(dinrng)充放電波形共六十七頁六、電感電流(dinli)斷續(xù)工作模式（DCM模式）簡介 臨界連續(xù)(linx)導(dǎo)通模式時(shí) 不連續(xù)導(dǎo)通模式時(shí) 對(duì)于CCM狀態(tài)對(duì)于DCM狀態(tài)2.2 降壓式變換電路（Buck電路） 共六十七頁思 考 已知：輸入電壓30V，輸出電壓10V，輸出紋波100 mV，輸出電流最大1A，最小100mA，要求(yoqi)電路工作于電流連續(xù)狀態(tài)，如何設(shè)計(jì)電路參數(shù)？2.2 降壓式變換(binhun)電路（Buck電路） 共六十七頁設(shè)計(jì)方法考慮：（1）由 ，計(jì)算LC 的關(guān)系（2）最小輸出電流與 的關(guān)系，見圖中波形，由于電感電流連

10、續(xù)，有 ，計(jì)算L的關(guān)系式。（3）由輸入輸出電壓(diny)關(guān)系，計(jì)算D（4）由 求得MOS管的最大電流，同時(shí)依據(jù)波形計(jì)算 電流有效值，依此選擇MOS管的電流。（5）MOS管的最高工作電壓為輸入電壓，依此選擇MOS管的耐壓。 2.2 降壓(jin y)式變換電路（Buck電路） 共六十七頁一、Boost電路(dinl)基本結(jié)構(gòu)基本(jbn)電路結(jié)構(gòu)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)等效電路開關(guān)關(guān)斷時(shí)等效電路2.3 升壓式變換電路（Boost電路） 共六十七頁二、電感電流連續(xù)工作模式（CCM）下穩(wěn)態(tài)工作過程分析a、 晶體管導(dǎo)通狀態(tài)(zhungti)（0 t t1=DT） VD關(guān)斷，依據(jù)等效電路拓?fù)洌校?由于ud 維持不

11、變，為恒定值，電流線性變化，有： 2.3 升壓式變換(binhun)電路（Boost電路） 共六十七頁b、 二極管VD導(dǎo)通模式（t1 t t2=T ） 晶體管關(guān)斷，電感續(xù)流，二極管導(dǎo)通，依據(jù)等效電路拓?fù)洌?由于ud 和u0 在一個(gè)周期內(nèi)維持不變，iL線性變化，考慮電感伏秒平衡，此時(shí)(c sh)電感電流增量應(yīng)該小于零，電流為下降曲線。 （斜率與電感電流相同）2.3 升壓式變換(binhun)電路（Boost電路） 共六十七頁共六十七頁三、電感電流連續(xù)工作模式（CCM）下基本輸入輸出關(guān)系 由于電感伏秒平衡，電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)第一階段（0 t t1）和第二階段（t1 t t2=T ）的電流凈增量(zn

12、lin)相等,有： 其中：t2 =T D= t1 / T 忽略電路工作產(chǎn)生的損耗，輸入輸出能量守恒，則有： 電路輸入電流：2.3 升壓式變換(binhun)電路（Boost電路） 共六十七頁四、電感電流連續(xù)工作模式（CCM）下電感電流和輸出電壓 脈動(dòng)分析 考慮(kol)到穩(wěn)態(tài)工作時(shí)電感伏秒平衡的特點(diǎn)，電感充放電過程電流波動(dòng)值相等，依據(jù)前面的分析，晶體管導(dǎo)通時(shí)有： 考慮到輸出電壓脈動(dòng)很小，一個(gè)周期內(nèi)電容充放電平衡，根據(jù)圖4-4中ic波形，Q的時(shí)間為DT，則電容紋波峰峰值為：2.3 升壓式變換(binhun)電路（Boost電路） 共六十七頁一、Buck-Boost電路(dinl)基本結(jié)構(gòu)基本電路

13、(dinl)結(jié)構(gòu)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)等效電路開關(guān)關(guān)斷時(shí)等效電路2.4 直流升降壓變換電路（Buck-Boost電路） 共六十七頁二、電感(din n)電流連續(xù)工作模式（CCM）下穩(wěn)態(tài)工作過程分析a、 晶體管導(dǎo)通狀態(tài)（t0 t t1=DT） VD關(guān)斷，依據(jù)等效電路拓?fù)?，有?由于ud 維持不變，為恒定值，電流線性增加，有：2.4 直流升降(shngjing)壓變換電路（Buck-Boost電路） 共六十七頁b、 二極管VD導(dǎo)通模式（t1 t t2=T ） 晶體管關(guān)斷，電感(din n)續(xù)流，二極管導(dǎo)通，依據(jù)等效電路拓?fù)?，有?由于u0 在一個(gè)周期內(nèi)維持不變，iL線性減小，考慮電感伏秒平衡，此時(shí)電感電流增量

14、應(yīng)該小于零，電流為下降曲線，有： （斜率與電感電流相同）2.4 直流升降壓變換(binhun)電路（Buck-Boost電路） 共六十七頁共六十七頁三、電感電流連續(xù)(linx)工作模式（CCM）下基本輸入輸出關(guān)系 由于電感伏秒平衡，電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)第一階段（0 t t1） 和第二階段（t1 t t2=T ）電感的電流凈增量相等,有： 忽略電路工作產(chǎn)生的損耗，輸入輸出能量守恒，則有：2.4 直流升降壓變換(binhun)電路（Buck-Boost電路） 共六十七頁四、電感電流連續(xù)工作模式（CCM）下電感電流和輸出電 壓脈動(dòng)分析 考慮到穩(wěn)態(tài)工作時(shí)電感伏秒平衡的特點(diǎn)，電感充放電過程電流波動(dòng)值相等，依據(jù)

15、前面的分析，晶體管導(dǎo)通時(shí)有： 考慮到輸出電壓脈動(dòng)很小，一周期(zhuq)內(nèi)電容充放電平衡，根據(jù)圖4-6中ic 波形，Q的時(shí)間為DT，則電容紋波峰峰值為：2.4 直流升降壓變換(binhun)電路（Buck-Boost電路） 共六十七頁一、 CUK電路基本(jbn)結(jié)構(gòu)基本電路(dinl)結(jié)構(gòu)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)等效電路開關(guān)關(guān)斷時(shí)等效電路2.5 庫克電路（CUK電路） 共六十七頁電路工作過程(guchng)1、VT開通，電感L1充電儲(chǔ)能，電容C1向電容C充電并向負(fù) 載放電、對(duì)L2充電，由于C1上的電壓作用，二極管VD 關(guān)斷。2、VT關(guān)斷，電感L1向電容C1轉(zhuǎn)移能量，電容C1充電，電感 L2續(xù)流導(dǎo)致VD開通

16、，L2向電容C充電并向負(fù)載放電。3、電容C1上電壓高于輸出電壓和輸入電壓。2.5 庫克電路(dinl)（CUK電路） 共六十七頁二、電感電流連續(xù)工作模式(msh)（CCM）下穩(wěn)態(tài)工作過程分析a、 晶體管導(dǎo)通狀態(tài)（t0 t t1=DT） 由于 ，VD關(guān)斷，依據(jù)等效電路拓?fù)洌瑢?duì)于電感L1有： 電流線性增加同理，對(duì)于電感 L2有： 電流線性增加 2.5 庫克電路(dinl)（CUK電路） 共六十七頁 斜率與電感電流相同b、 二極管VD導(dǎo)通模式（t1 t t2=T） 依據(jù)(yj)等效電路拓?fù)?，?duì)于電感L1有： 2.5 庫克電路(dinl)（CUK電路） 共六十七頁對(duì)于電感L2有： 由于電感伏秒平衡(p

17、nghng)，此時(shí)電感電流增量應(yīng)該小于零，電流為下降曲線 斜率與電感電流相同2.5 庫克電路(dinl)（CUK電路） 共六十七頁共六十七頁三、電感電流連續(xù)工作模式（CCM）下基本(jbn)輸入輸出關(guān)系 由于電感伏秒平衡，電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)第一階段（0 t t1）和第二階段（t1 t t2=T ）電感的電流凈增量相等,可以得到： 忽略電路工作產(chǎn)生的損耗，輸入輸出能量守恒，則有： MOS管電流峰值：2.5 庫克電路(dinl)（CUK電路） 共六十七頁四、電感電流(dinli)連續(xù)工作模式（CCM）下電感電流和輸出電壓 脈動(dòng)分析 電感電流脈動(dòng)：L1 L2 2.5 庫克電路(dinl)（CUK電路）

18、共六十七頁 輸出電壓脈動(dòng)分析： 晶體管導(dǎo)通： L2電感電流(dinli)平均值為I0 由于 ，輸出電壓電流脈動(dòng)很小，有： 流過電容的電流在一個(gè)周期內(nèi)平均值為零，在T/2時(shí)間內(nèi)有： 輸出電容電壓脈動(dòng)峰峰值： 2.5 庫克電路(dinl)（CUK電路） 共六十七頁五、電感電流連續(xù)(linx)工作模式（CCM）下電容C1上電壓分析 晶體管導(dǎo)通狀態(tài)（t0 t t1=DT）下有： 二極管VD導(dǎo)通模式（t1 t t2=T ）下有： 由于電感伏秒平衡，有：2.5 庫克電路(dinl)（CUK電路） 共六十七頁一、正向(zhn xin)激勵(lì)電路的基本結(jié)構(gòu)2.6 正向激勵(lì)(jl)直流變換電路 （Forward

19、Converter） 共六十七頁二、正向激勵(lì)電路的穩(wěn)態(tài)工作過程分析a、晶體管導(dǎo)通狀態(tài)（0 t t1=DT） 副邊（N2）感應(yīng)正電壓導(dǎo)致VD1導(dǎo)通、VD2截止，副邊（N3）感應(yīng)電壓與ud疊加，使VD3截止，電感兩端電壓為：可以看出，電感電流線性增長(zngzhng)，有： 勵(lì)磁電流線性增長，則有2.6 正向(zhn xin)激勵(lì)直流變換電路 （Forward Converter） 共六十七頁b、晶體管關(guān)斷狀態(tài)（t1 t t2T） 繞組(roz)N1中的激磁電流轉(zhuǎn)移到繞組N3中，VD3導(dǎo)通，N3 繞組電壓為ud；由于同名端的關(guān)系，N3繞組的電壓具有反向去磁作用，形成磁復(fù)位；此時(shí)N2繞組感應(yīng)電壓導(dǎo)致

20、VD1關(guān)斷，電感L續(xù)流導(dǎo)致VD2導(dǎo)通，電感兩端電壓為：電感電流線性減小，有：在t2之前，勵(lì)磁電流在N3 繞組續(xù)流，在ud作用下線性減小，至t2時(shí)刻降至零，VD3關(guān)斷，此時(shí)全部繞組均無電流，2.6 正向(zhn xin)激勵(lì)直流變換電路 （Forward Converter） 共六十七頁共六十七頁三、基本輸入輸出關(guān)系分析 考慮到電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)電感伏秒平衡，第一階段（t0 t DT）和第二階段（t1tT）的電感電流凈增量相等。 由t1=DT，t3- t1=(1-D)T ，可以(ky)得到： 上式表明：正激DC-DC變換電路的輸出電壓平均值和Buck電路一樣與D成正比，不同的是還與匝數(shù)有關(guān)。 2.6

21、 正向激勵(lì)(jl)直流變換電路 （Forward Converter） 共六十七頁 為確保每個(gè)周期內(nèi)磁路能夠正常復(fù)位，第一階段（t0tt1=DT）勵(lì)磁能量必須(bx)于第二階段（t1tT）完全釋放，即對(duì)變壓器而言，第一階段形成的勵(lì)磁電流必須于第二階段衰減至零，否則就會(huì)造成變壓器磁路飽和。 假定對(duì)于N1繞組變壓器勵(lì)磁電感為Lm，變壓器電流初值為零，則第一階段的電流凈增量為： 此值即為變壓器N1繞組勵(lì)磁電流的峰值，第二階段N1繞組勵(lì)磁電流轉(zhuǎn)移到N3繞組，經(jīng)繞組N3續(xù)流衰減，則繞組N3續(xù)流電流初值為：2.6 正向(zhn xin)激勵(lì)直流變換電路 （Forward Converter） 共六十七頁第

22、二階段繞組N3電流凈減量為： 為折算到繞組N3的勵(lì)磁電感，有：為了確保能夠完成磁復(fù)位，必須(bx)滿足： ，即： 這是正激變換電路一個(gè)重要的約束條件。2.6 正向激勵(lì)(jl)直流變換電路 （Forward Converter） 共六十七頁一、反向激勵(lì)(jl)電路的基本結(jié)構(gòu)2.7 反向激勵(lì)(jl)直流變換電路 （Flyback Converter） 共六十七頁二、電流連續(xù)模式（CCM）下反激電路(dinl)穩(wěn)態(tài)工作過程分析a、 晶體管導(dǎo)通狀態(tài)（0 t t1=DT） 副邊感應(yīng)電勢(shì)導(dǎo)致VD1截止，電感L1充電儲(chǔ)能， 有： 可以看出，電感電流線性增長，有： 則有： 副邊感應(yīng)電壓： 晶體管電流：2.7

23、反向激勵(lì)直流變換(binhun)電路 （Flyback Converter） 共六十七頁b、晶體管關(guān)斷狀態(tài)（t1 t t2T ） 繞組N1中的激磁(jc)電流轉(zhuǎn)移到繞組N2中，VD1導(dǎo)通，電感 L1轉(zhuǎn)移能量到副邊繞組N2中，有：L2電流線性下降，由于磁能不變，電流初值、終值有： 繞組N2的電感L2： 輸出電壓U0： 2.7 反向激勵(lì)(jl)直流變換電路 （Flyback Converter） 共六十七頁共六十七頁反向激勵(lì)(jl)電路的特點(diǎn)：1、具有變壓器隔離2、變壓器先電感儲(chǔ)存能量，然后傳遞儲(chǔ)存能量3、BuckBoost電路的變形2.7 反向(fn xin)激勵(lì)直流變換電路 （Flyback

24、Converter） 共六十七頁三、電流連續(xù)工作模式（CCM）下基本(jbn)輸入輸出關(guān)系分析 考慮到穩(wěn)態(tài)工作時(shí)變壓器磁路伏秒平衡，第一階段（t0tt1=DT）和第二階段（t1tT）的折算到原邊或副邊的電感電流凈增量相等，由t1=DT， t3- t1=(1-D)T ，可以得到： 可以得出： 上式表明：反激DC-DC變換電路的輸出電壓平均值和Buck-Boost電路一樣與D/(1-D)成正比，不同的是還與匝數(shù)有關(guān)。2.7 反向(fn xin)激勵(lì)直流變換電路 （Flyback Converter） 共六十七頁一、Sepic電路(dinl)和Zeta電路(dinl) 輸入輸出關(guān)系：2.8 其它(q

25、t)典型直流變換電路 Sepic 電路結(jié)構(gòu)共六十七頁2.8 其它典型(dinxng)直流變換電路Zeta 電路(dinl)結(jié)構(gòu)輸入輸出關(guān)系：共六十七頁二、雙向直流直流變換(binhun)電路 2.8 其它典型(dinxng)直流變換電路共六十七頁2.8 其它典型(dinxng)直流變換電路三、橋式隔離變換(binhun)電路 全橋變換電路基本結(jié)構(gòu)輸入輸出關(guān)系：共六十七頁 全橋變換電路(dinl)工作波形共六十七頁2.8 其它典型直流變換(binhun)電路半橋變換電路基本(jbn)結(jié)構(gòu)輸入輸出關(guān)系：共六十七頁 半橋變換(binhun)電路工作波形共六十七頁2.8 其它典型直流變換(binhun)電路四、推挽(tu wn)隔離變換電路 推挽變換電路基本結(jié)構(gòu)輸入輸出關(guān)系：共六十七