電力電子技術課件：直流直流變換器

3直流/直流變換器DC/DC變換器3直流/直流變換器3.1直流/直流降壓變換器(BUCK)3.2直流/直流升壓變換器(Boost)3.3直流/直流升降壓變換器

3.3.1直流/直流降升壓變換器(Buck-Boost)

3.3.2Cuk變換器

3.3.3Sepic變換器

3.3.4Zita變換器3.4兩象限、四象限直流/直流變換器3.5多相多重直流/直流變換器3.6隔離直流/直流變換器

3.6.1隔離型Buck變換器—單端正激變換器

3.6.2隔離型Buck-Boost變換器—單端反激變換器

3.6.3隔離型Cuk變換器3.7具有中間交流環(huán)節(jié)（DC-AC-DC）變壓器隔離型直流變換電源

Ui=100V

Uo=50VIo=10A設計要求：直流變換器：電阻分壓

=UoIo/UiIo=Uo/Ui

=50/100=50%Ploss=50

10=500(W)UR=100-50=50(V)

效率太低!!!

無法自動穩(wěn)壓!

Ui=100V

Uo=50VIo=10A設計要求：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!!!

無法自動穩(wěn)壓!PQ=UQ

IQ=50

10=500(W)

可以自動穩(wěn)壓!

Ui=100V

Uo=50VIo=10A設計要求：直流變換器：開關模式Ton：導通時間Ts：開關周期D：占空比50V

Ui=100V

Uo=50VIo=10A設計要求：Qon:PQ(on)=Vces

Io0

100%Ploss

0Qoff:PQ(off)=VinIceo0直流變換器：開關模式

可以自動穩(wěn)壓!

效率很高！PWM控制的基本原理

PWM（PulseWidthModulation）脈寬調制：控制脈沖寬度調制技術，通過對一系列脈沖的寬度進行調制，改變占空比來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）PFM（PulseFrequencyModulation）脈沖頻率調制：固定脈沖的高低狀態(tài)之一的寬度，改變另一項來達到調節(jié)占空比的目的PWM控制的基本原理采樣控制理論基礎沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同；沖量指窄脈沖的面積；效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同；將輸出波形進行付氏分解，低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。典型慣性環(huán)節(jié)就是電感負載。形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖如SPWM：正弦波脈寬調制，用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，正弦半波N等分，可看成N個彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等；脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可全控型開關電路

構成特點：---無損耗器件（損耗?。?-----儲能元件：電容，電感------隔離變壓元件：高頻變壓器------開關元件：半導體器件（全控器件和二極管）工作特點：開關工作方式，高頻化電路特點：半導體器件高頻開關工作電路小型化，高效率電路分類：按開關管數(shù)量分：------單晶體管電路------多晶體管電路按是否隔離分：------隔離型------非隔離型單晶體管電路電路特點：單個開關功率管，電路簡單，適于中小功率基本電路----六個：降壓式（Buck）升壓式（Boost）升/降壓式（Boost/Buck）丘克變換器（Cuk）Zeta變換器Sepic變換器dc/dc變換基本電路拓撲直流斬波電路直流斬波電路（DCChopper）---將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{電壓的直流電---也稱為直流--直流變換器（DC/DCConverter）---一般指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，不包括直流—交流—直流直流斬波電路的種類---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合斬波電路不同基本斬波電路組合多相多重斬波電路相同結構基本斬波電路組合直流斬波器圖中所示電路，即為直流斬波器（Chopper）直流斬波器當Q導通時，工作狀態(tài)直流斬波器當Q關閉時，工作狀態(tài)：直流斬波器輸出電壓平均值：

式中T為開關周期，TON為導通時間，D為為斬波占空比平均負載電流Io=Uo/RL直流斬波器改變占空比，就可以改變輸出電壓輸入功率等于輸出功率：斬波器輸入電阻：直流斬波器盡管能實現(xiàn)電壓的幅值控制但是輸出紋波過大負載上電壓和電流脈動大通常在負載端加上LC濾波環(huán)節(jié)，以減小輸出電壓紋波經過電路變換，就有BUCK降壓變換器濾波器續(xù)流二極管DBuck變換器降壓式變換器LfCf3.1直流/直流降壓式變換器

（BuckConverter）(1)電路構成Q,D,L,C四個元件Q為全控型半導體器件假設：Ui為理想直流電壓源；C很大,UO為直流電壓；器件為理想的BuckConverter(2)基本工作原理Q管導通期間(Ton)狀態(tài)1:Uce=0UA=Ui，DOFF,L儲能，iL增大Q管OFF期間(Toff)（狀態(tài)2:UD=0，UA=0，Uce=Ui，L釋能，iL減小BuckConverter

(2)基本工作原理工作方式定義：

iL連續(xù)模式（CCM）（continuousconductionmode）在一個開關周期內電感電流均大于零。iL斷續(xù)模式（DCM）（discontinuousconductionmode）在Q管OFF期間(Tof)電感電流下降到零，故增加一個iL=0的工作狀態(tài)3BUCK電路模態(tài)分析當Q導通時：設T內Ui和Uo不變電感電流線性上升BUCK電路模態(tài)分析當Q截止時，有：電感電流線性下降：BUCK電路模態(tài)分析因為在穩(wěn)態(tài)時（每周期相同）聯(lián)立以上各式：Uo=DUi輸出電流平均值：脈沖寬度調制(Pulse-WidthModulation)脈沖頻率調制Pulse-FrequencyModulationBuckConverter工作原理t=0時刻驅動V導通，電源向電感充電，同時向負載供電t=t1時刻控制V關斷，負載電流經二極管VD續(xù)流，電感放電電感電流的交流分量為電容電流電感電流的直流分量為負載直流電流大小BuckConverter外特性變換器的外特性：在D恒定時，變換器的輸在出電壓與輸出電流的關系電感電流連續(xù)時，輸出電壓與負載電流無關，僅和輸入電壓和占空比有關電流臨界連續(xù)狀態(tài)當負截電流減少到iomin＝0時iomax=ΔiL，定義這種狀態(tài)為臨界電流連續(xù)對應臨界電流連續(xù)時的輸出負載電流平均值為對應臨界電流連續(xù)時的電感臨界連續(xù)電流IGIG=Iomin=iomax/2=ΔiL/2電流臨界連續(xù)狀態(tài)由于臨界電流連續(xù)仍滿足連續(xù)時工作分析，所以有：

Uo=DUi聯(lián)立求出：臨界連續(xù)電流當D＝0.5時，臨界電流達到最大值：所以:臨界電流與占空比關系IG與IGMAX的關系如圖當I0大于IG時，電流連續(xù)，輸出電壓僅與占空比相關當I0小于IG時，電流斷續(xù)電流斷續(xù)時波形分析Q導通時，工作狀態(tài)同前，電流從零上升Q關斷時，電感釋放電能，電流下降當電感電流下降到零時，電感上壓降為零設關斷時間為TOF，電流下降到零的時間TOF’電流斷續(xù)時分析斷續(xù)時，輸出電流的平均值：式中TOF’為晶體管關斷后電流持續(xù)時電流斷續(xù)時分析斷續(xù)時電流的增量與減量同樣是平衡的：代入，化簡，有：電流斷續(xù)時分析將TOF’代入即有輸出電流：得到輸出電壓：標幺曲線可以作出U0/Ui=f(IG/IGMAX)曲線：標幺可以作出外特性：圖中弧線為臨界連續(xù)曲線，即為分界線右邊為電流連續(xù)，輸出電壓只與占空比相關左邊為電流斷續(xù)，輸出電壓與負載電流也有關標幺曲線在電流斷續(xù)時特性當電流斷續(xù)時，變換器存在很高的非線性內阻電流斷續(xù)時，維持同一輸出電壓，占空比變化很大(以UO/Ui為0.6為例)，易失控當I＝0時，輸出電壓均為輸入電壓在實際工作中，應保證連續(xù)工作，以最小電流作為電感電流臨界連續(xù)設計電感降壓式變換器小結輸出輸入電壓關系式

---CCM工作模式降壓式變換器小結

---iL臨界連續(xù)時：

UO=DUiiL臨界連續(xù)時輸出電流IG=ΔiL/2=UiTD(1-D)/2/LD=0.5時，IG=IGmax

IGmax=UiT/8/LIG=4IGmaxD(1-D)降壓式變換器小結---DCM工作模式降壓式變換器小結iL連續(xù)時：Uo與負載大小無關

UO=DUi,D=TON/T

iL斷續(xù)時：電路參數(shù)選擇設計條件：輸入直流電壓的額定值以及變化范圍輸出電壓、輸出電流最大值和最小值輸出電壓的穩(wěn)定度及紋波電壓要求等效率估算假定晶體管的開關損耗等于導通損耗（f<20kHz）電路參數(shù)選擇（功率管）假定MOSFET的在低于100kHz時，不考慮開關損耗功率管平均電流功率管最大電流式中Iomax和IGmax為最大輸出電流與最大臨界電流電路參數(shù)選擇（功率管）一般取功率晶體管的最大電流Icm

Icm>2IQp功率管的電壓滿足：功率管選擇根據(jù)工作頻率選功率管的類型在20kHz以下，可選擇普通低頻功率管；20一50kHz可選開關功率管；50kHz以上應選擇功率MOSFET；大功率應用，可選擇IGBT電路參數(shù)選擇（二極管）二極管一般選開關二極管，快恢復二極管，在低壓場合最好選肖特基二極管二極管的平均電流和有效電流為二極管的電壓滿足電路參數(shù)選擇（電感）為保證電感在所有工作條件下電感電流連續(xù)，有：Iomin=IG將Iomin代入IG表達式，即得到電感L：如果電流過小，會造成電感量過大，所以有時可加入假負載以提高最小電流;或局部工作在斷續(xù)模式若輸出負載恒定，為減小紋波，在進行電感量計算時，將IG進行減小處理:IG=(1/5~1/3)Iomax

電路參數(shù)選擇（電容）電容電流的脈動量近似即為電感電流的脈動量電容電流在1/2周期內充電，在1/2周期內放電所以，電容電流：所以電容紋波電壓：電路參數(shù)選擇（電容）根據(jù)輸出紋波大小即可以確定輸出電容大?。嚎紤]到等效電阻和串聯(lián)電感，實際的電容特性電路參數(shù)選擇（電容）低頻時，1/ωC>>Rs,ωLs，電容呈容性隨著工作頻率的增高，電容器的1/ωC小，而Rs,ωLs

相對的影響逐漸增大對于開關瞬間的高次諧波電容已無抑制作用電路參數(shù)選擇（電容）由于這些影響，實際的C選取：對于高頻開關電路，應采用ESR，ESL盡可能小的高頻電容在高頻應用時，電容量應在計算的基礎上適當放大采用多個電容關聯(lián)，可減小ESR影響為抑制尖峰，常用高質量無極性電容與電解電容并聯(lián)降壓式變換器(5)參數(shù)選擇與設計開關功率管:U(BR)ceo,ICM>2IQP二極管:電感：降壓式變換器

(5)參數(shù)選擇與設計

電容開關頻率與LC大小的關系：f大LC小對電容的要求：高頻性能好分析方法小結：推導輸出電壓和輸入電壓關系式方法：

CCM方式：電感電流上升量=電感電流下降量

TON期間磁通變化量=TOFF期間磁通變化量

DCM方式流過輸出濾波電容前元件的電流平均值=Io穩(wěn)態(tài)工作特點穩(wěn)態(tài)時儲能元件一個開關周期具有以下特點：電感L：電流變化量/伏秒面積為零電容C：電壓變化量/安秒面積為零變壓器：磁通變換量/伏秒面積為0能量守恒原則：儲能能量=釋放能量輸入輸出有功功率相等實際降壓式變換電路由于晶體管、二極管有導通壓降，電感有寄生電阻，可簡化成串聯(lián)電阻（線圈電阻與半導體器件導通電阻之和）：所以有輸出電壓表達式：實際降壓式變換電路輸出電壓隨著電流的上升有一定的下降對應特性的虛線部分第12次作業(yè)：1推導Buck電路CCM模式輸出電壓及其紋波公式及以負載電阻描述的電流連續(xù)條件。2Buck電路，Vi=100—220V，f=20kHz，Vo=100V，R=200Ω，L=1.25mH，畫出輸入電壓對占空比的曲線。3

降壓式變換器輸人電壓為27V士10%，輸出電壓為15V．最大輸出功率為120W，最小輸出功率為10W。MOSFET和二極管導通電阻0.2Ω，輕載時關斷時問為5μs，忽略開通時間，若工作頻率為30kHz。求：1）占空比變化范圍；2）保證整個工作范圍電感電流連續(xù)時電感值；3）限輸出紋波電壓100mV時濾波電容值；4）如電感線圈電阻為0.2Ω，計算最大占空比和最小效率。3.2升壓電路(Boost)電路結構和工作原理假設L值、C值很大電感電流連續(xù):兩種開關狀態(tài)

Boost電感電流連續(xù)開關管T導通：D截止，VL=Vi，L*di/dt=Vi

ΔiL+=Vi*Ton/L=ViDT/L,iL線性增加

C放電供負載開關管T截止：D導通，VL=Vi-Vo而Vo>ViL*di/dt=Vi-Vo，iL線性減小,C充電

ΔiL-=(Vo-Vi)*Tof/L=(Vo-Vi)(1-D)T/LBoost電感電流連續(xù)穩(wěn)態(tài)：ΔiL=ΔiL+=ΔiL-=ViDT/L=(Vo-Vi)(1-D)T/L=VoD(1-D)T/LM=Vo/Vi=1/(1-D)Ii=VoIo/Vi=Io/(1-D)ITmax=IDmax=ILmax=Ii+ΔiL/2VT=VD=VoΔii=ΔiLBoost電感電流斷續(xù)3種工作狀態(tài)Boost電路工作波形Boost電路臨界連續(xù)電流iL=輸入電流，ID=Io，iLmin=0,iLmax=?iLIG=IDmin=Iomin=Boost電路電流斷續(xù)ΔiL+=Vi*Ton/L=ViDT/LΔiL-=(Vo-Vi)*Tof’/LΔiL-=ΔiL+，Tof’=Vi*Ton/(Vo-Vi)Boost電路標幺輸出特性1/M—DIo=0時，M=∞輸出不許開路Boost電路參數(shù)設計設則開關管定額：IQM>2IQPU(BR)ceo>1.5Uo二極管：ID=Ii(1-D),IDrms=UBR>2UoBoost電路參數(shù)設計第13次作業(yè)：1推導一下兩電路電壓放大倍數(shù)2升壓變換器輸人電壓為27V士10%，輸出電壓為45V，輸出功率為75OW，假定效率為95%，若電感和開關等附加等效電阻0.05Ω，1）求最大占空比；2）如輸出改為60V，是否可能？為什么？3.3直流/直流升降壓變換器極性反轉變換器

Buck-Boost

Cuk。正輸出變換器

SepicZetaBuck-Boost變換器的推導(1)Uo<UiUo>UiBuck-Boost變換器的推導(2)Buck-Boost變換器的推導(3)輸入輸出反極性！升降壓斬波電路電路結構：器件少輸入具有Buck特點輸出具有Boost特點輸入輸出電流脈動大輸出電壓的極性與電源電壓極性相反DERLa)CQi1i2uLuoILBuck-Boost變換器工作原理：電流連續(xù)時的2種狀態(tài)

DERLa)CQi1i2uLuoILDERLa)CQi1i2uLuoIL電流斷續(xù)時的3種狀態(tài)Q導通Q關斷輸入輸出關系D<0.5，Uo<UiD>0.5，Uo>UiBuck-Boost變換器Ton:D斷Ui=VL=L?i+/Ton?i+=UiTon/LTof:D通,負載電壓反極性Uo=L?i-/Tof

?i-=UoTof/L穩(wěn)態(tài)?i+=?i-Uo=UiD/(1-D)D<0.5降壓D>0.5升壓Buck-Boost變換器輸入電流：電感電流平均值：電壓應力：功率晶體管輸出電流：功率晶體管電流平均值：電流最大值：元器件選擇和設計二極管有效值電流：電壓應力：平均電流：電感量：電感電感電流脈動：電容量：濾波電容輸出電壓紋波：電容放電電容充電Cuk斬波電路Cuk斬波電路輸出電壓的極性與電源電壓極性相反增加輸入儲能電感L1和儲能電容C1假設C1很大VC1在1開關周期內基本不變Cuk變換器的推導(1)鏡像翻轉濾波電容和二極管交換位置

Cf和Q改變位置

Lf移到上面Buck/Boost變換器的推導(2)Buck/Boost變換器的推導(3)輸入輸出反極性！共用Q、D、CfCuk斬波電路等效電路V通時，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分別流過電流V斷時，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分別流過電流CukL1電流連續(xù)V通,C1迫使D截止,L1儲能,C1放電給C2充電并使L2儲能,iT=iL1+iL2Ui=VL1=L1?i1+/Ton?i1+=UiTon/L1Uc1-Uo=VL2=L2?i2+/Ton?i2+=(Uc1-Uo)Ton/L2V斷,D通,L1釋放能量和Ui一起為C1充電,L2經D釋放能量維持輸出,iD=iL1+iL2Ui-Uc1=VL1=-L1?i1-/Tof?i1-=(Uc1-Ui)Tof/L1-Uo=VL2=-L2?i2-/Tof?i2-=UoTof/L2CukL1電流連續(xù)穩(wěn)態(tài):?i1+=?i1-得Uc1=Ui/(1-D)?i2+=?i2-得Uo=DUc1

Uo=DUi/(1-D),M=D/(1-D)Uc1=Ui+Uo

L1L2零磁鏈增量iT=iL1+iL2

或

iD=iL1+iL2Q導通Q關斷輸入輸出關系Uo既可高于Ui，又可低于Ui。CukL1電流連續(xù)Ii=IoD/(1-D)ITmax=IDmax=IL1max+IL2max=Iimax+?i1/2+Iomax+?i2/2=IomaxD/(1-D)+?i1/2+Iomax+?i2/2=Iomax/(1-D)+(?i1+?i2)/2=Iomax/(1-D)+UiTon(1/L1+1/L2)/2=Iomax/(1-D)+UiTon/(2Le)Le=L1||L2VTmax=VDmax=Uc1=Ui+Uo=Ui/

(1-D)=Uo/DCuk

脈動?i1=UiTon/L1?i2=UoTof/L2V斷時C1充電平均電流Ii?Vc1=IiTof/C1=IOTon/C1=IoD/(fC1)ic2=

i2–Io

C2充放電平均電流Ic2=

?i2/4電壓應力：功率晶體管電流平均值：電流最大值：元器件選擇和設計二極管有效值電流：電壓應力：平均電流：電感電感L1的電流脈動：電感L2的電流脈動：電容電容C1的選擇：電容C2的選擇：Q導通，C1放電；Q截止，C1充電。與Buck變換器類似Cuk變換器利用C1進行能量傳遞，充放電電流很大，因此要選擇低損耗的高頻電解電容。Cuk斬波電路3狀態(tài)Cuk斬波電路工作波形電流斷續(xù)模式所謂電流斷續(xù)模式，是指二極管電流斷續(xù)！Cuk電流斷續(xù)IG同Buck電路情況,IG=UiTD(1-D)/2/LeIG=4IGmaxD(1-D)IGmax=UiT/8/LeM=4IGmaxD2/Io**耦合電感的Cuk變換器電感脈動電感耦合Cuk耦合程度k=V通:

電感耦合CukV斷:電感耦合Cuk特性不論通斷,iL1和iL2的變化率都互成比例V通:iL1和iL2的上升率與Ui成正比,與其等效電感成反比V斷:iL1和iL2的下降率與Uo成正比,與其等效電感成反比當M->L2時,Le1->∞,diL1/dt->0當M->L1時,Le2->∞,diL2/dt->0Sepic斬波電路和Zeta斬波電路a）Sepic斬波電路b）Zeta斬波電路Sepic:Single-endedprimaryinductanceconverterR.P.Massey,andE.C.Snyder,“High-voltagesingle-endeddc-dcconverter,”inProc.IEEEPESC,1977,pp.156-159Sepic斬波電路基本工作原理是：當V處于通態(tài)時，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同時導電，L1和L2貯能。V處于斷態(tài)時，E—L1—C1—VD—負載（C2和R）回路及L2—VD—負載回路同時導電，此階段E和L1既向負載供電，同時也向C1充電，C1貯存的能量在V處于通態(tài)時向L2轉移。輸入輸出關系由下式給出：

M=Vo/Vi=D/(1-D)

Zeta斬波電路也稱雙Sepic斬波電路基本工作原理是：在V處于通態(tài)期間，電源E經開關V向電感L1貯能。同時，E和C1共同向負載R供電，并向C2充電。待V關斷后，L1經VD向C1沖電，其貯存的能量轉移至C1。同時，C2向負載供電，L2的電流則經VD續(xù)流。Zeta斬波電路的輸入輸出關系為：M=D/(1-D)

兩種電路相比，具有相同的輸入輸出關系。Sepic電路中，電源電流連續(xù)，有利于輸入濾波，反之，Zeta電路的輸入電流是斷續(xù)的。另外，與前一小節(jié)所述的兩種電路相比，這里的兩種電路輸出電壓為正極性的，且輸入輸出關系相同。6種基本變換器的比較BuckBoostBuck-BoostCukZetaSepicConverterVoltageConversionRatioOutputVoltagePolarityInputCurrentRippleOutputCurrentRipple++++__LargeSmallConfigu-rationSimpleSimpleSimpleComplexComplexComplexLargeLargeLargeLargeSmallSmallSmallSmallSmallLargeTopology3.4兩象限、四象限直流/直流變換器將基本的降壓型變換器和升壓型變換器電路組合可以構成半橋型（兩象限）和全橋型（四象限）直流／直流變換器。將幾個相同結構的基本變換器組合可以構成多相、多重直流／直流變換器。由不同的或相同的基本型變換器組合而成的直流／直流變換器，也被稱為復合型直流變換器。復合型變換器較單個基本變換器具有更優(yōu)良的技術特性，又可擴大單個變換器的輸出容量，組合輸出更高的電壓或更大的電流。3.4.1兩象限直流/直流變換器直流負載有電阻負載、電感負載和反電動勢負載三類3.4.2四象限直流/直流變換器3.6隔離直流/直流變換器3.6.1隔離型Buck變換器—單端正激變換器3.6.2隔離型Buck-Boost變換器—單端反激變換器3.6.3隔離型Cuk變換器正激變換器的推導工作原理基本數(shù)量關系3.6.1正激(Forward)變換器正激變換器的推導工作原理基本數(shù)量關系3.6.1正激(Forward)變換器第1步：加入隔離變壓器；第2步：加入磁復位電路；第3步：加入整流二極管。正激變換器的推導(1)正激變換器的推導(2)正激變換器的推導(3)正激變換器的推導工作原理基本數(shù)量關系3.6.1正激(Forward)變換器Q導通N1的激磁電感Q關斷：磁復位Q關斷：磁復位完成變壓器磁復位完成正激變換器的推導工作原理基本數(shù)量關系3.6.1正激(Forward)變換器輸入輸出關系最大占空比開關管、二極管的電壓應力N1>