第3章-DC-DC變換電路

第三章DC-DC變換電路主講教師：XXX電力電子技術學習目標：(1)明確DC-DC變換電路的基本分類方法(2)理解典型DC-DC變換器的工作原理(3)能推導出Buck、Boost和Buck-Boost等三種基本非隔離型DC-DC變換器的輸入和輸出電壓、電流關系(4)掌握典型DC-DC變換器的關鍵參數選型依據(5)熟悉典型隔離型DC-DC變換器與相應非隔離型DC-DC變換器的聯(lián)系電力電子技術問題思考：手機、筆記本電腦等電子產品依靠電池儲存的直流電能維持運行，其內部消耗電能的部件眾多，既有CPU、內存等計算、存儲單元，也有電子顯示屏幕、外放、攝像頭等人機交互部件。各部件運行所需直流電壓不一致，如何實現(xiàn)直流電壓變換？如果相比于電池電壓，負載電壓過低或者過高應該怎樣解決？如果考慮到設備尺寸要求，怎樣才能減小電能變換單元的體積和重量？本章PPT部分圖片源于網絡和其他文獻電力電子技術DC-DC變換器或直流-直流變換器目的將一種直流電變換為另一種不同電壓/電流幅值或極性的直流電轉換過程中損失的能量和功率盡可能少，即高效率輸入電壓：36?72V輸出電壓和電流：12V和6.25A功率：75W降壓型DC-DC變換器4電力電子技術DC-DC變換器分類降壓型DC-DC變換器：高輸入電壓->低輸出電壓升壓型DC-DC變換器：低輸入電壓->高輸出電壓升降壓型DC-DC變換器：高/低輸入電壓->高/低輸出電壓非隔離型降壓型DC-DC變換器：高輸入電壓->低輸出電壓升壓型DC-DC變換器：低輸入電壓->高輸出電壓升降壓型DC-DC變換器：高/低輸入電壓->高/低輸出電壓隔離型DC-DC變換器5電力電子技術目錄：1.非隔離型DC-DC變換器(1)Buck變換器(2)Boost變換器(3)Buck-Boost變換器(4)其他非隔離型DC-DC變換器(5)DC-DC變換器共性技術2.隔離型DC-DC變換器(1)正激變換器(2)反激變換器(3)半橋變換器(4)全橋變換器(5)推挽變換器電力電子技術目錄：1.非隔離型DC-DC變換器(1)Buck變換器(2)Boost變換器(3)Buck-Boost變換器(4)其他非隔離型DC-DC變換器(5)DC-DC變換器共性技術2.隔離型DC-DC變換器(1)正激變換器(2)反激變換器(3)半橋變換器(4)全橋變換器(5)推挽變換器電力電子技術非隔離型DC-DC變換器（直流斬波器）降壓型DC-DC變換器：高輸入電壓->低輸出電壓例子：Buck（降壓型）變換器升壓型DC-DC變換器：低輸入電壓->高輸出電壓例子：Boost（升壓型）變換器升降壓型DC-DC變換器：高/低輸入電壓->高/低輸出電壓例子：Buck-Boost（升壓型）變換器?uk變換器、Sepic變換器和Zeta變換器非隔離型利用開關器件對輸入電壓/電流波形進行周期性地“斬切”濾波平均后實現(xiàn)直流變換8電力電子技術非電力電子降壓電路如何將一個直流電壓轉變?yōu)橐粋€較低的直流電壓？電阻分壓器輸出電壓vo始終低于輸入電壓vi輸出電壓與輸入電壓的比值（即電壓比）由電阻Ri和Ro阻值決定例子：輸入電壓vi=100V，電阻Ri=Ro=5?時，輸入和輸出電流ii=io=10A，輸出電壓vo=50V實現(xiàn)簡單，在信號采樣電路中得到廣泛應用9電力電子技術非電力電子降壓電路——電阻分壓器電阻分壓器×電阻是耗能元件，功率損耗大。在上述參數工況下，輸入電阻Ri和負載電阻Ro功耗相同，因此耗費了一半能量，效率低×利用電位器雖能調節(jié)輸出電壓，但調節(jié)速度慢，響應能力差×輸出電壓受負載電阻影響大，穩(wěn)定性差×實用的直流電源一般不采用電阻分壓器10電力電子技術非電力電子降壓電路——線性調壓器11線性調壓器輸出電壓vo始終低于輸入電壓viS1為工作在線性區(qū)的功率晶體管(BJT)，通過調節(jié)S1的飽和程度，控制管壓降(vi?vo)，進一步改變負載電壓vo，提高調壓能力如何將一個直流電壓轉變?yōu)橐粋€較低的直流電壓？×線性調壓器在降壓過程中（特別是輸入輸出電壓差較大時）有相當一部分能量消耗，因此轉換效率低電力電子技術目錄：1.非隔離型DC-DC變換器(1)Buck變換器(2)Boost變換器(3)Buck-Boost變換器(4)其他非隔離型DC-DC變換器(5)DC-DC變換器共性技術2.隔離型DC-DC變換器(1)正激變換器(2)反激變換器(3)半橋變換器(4)全橋變換器(5)推挽變換器電力電子技術Buck變換器思想13工作在開關狀態(tài)的功率半導體器件周期性通斷+輸出濾波平均如何提高降壓變換的效率？電力電子技術Buck變換器思想——斬波14當單刀雙置開關Ssd連接正極時，結點電壓vs=vi當單刀雙置開關Ssd連接地時，結點電壓vs=0VSsd周期性交替地接正極和地(或斬波)，使vs為矩形波電力電子技術Buck變換器思想——平均15開關結點電壓vs經過濾波平均后得到輸出電壓vovs高電平時間越長，輸出電壓vo越大vs高電平時間越短，輸出電壓vo越小電力電子技術Buck變換器電路拓撲16單刀雙置開關Ssd實際中常采用一個全控型功率器件（如MOSFET）S1和一個功率二極管D1-實現(xiàn)LC低通濾波器，濾除vs中的高頻脈動分量電力電子技術Buck變換器等效電路17通態(tài)：S1導通，D1關斷斷態(tài)：S1關斷，D1導通電力電子技術Buck變換器工作波形18通態(tài)時間：Ton斷態(tài)時間：Toff電力電子技術Buck變換器電路分析19變換器電路分析分為動態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析兩個方面動態(tài)分析需要建立詳細的數學模型，這里不展開討論只分析電路穩(wěn)態(tài)。進入穩(wěn)態(tài)后，各電壓電流僅在額定值附近以開關頻率重復波動。開關時間/周期：Tsw=Ton

+Toff電力電子技術Buck變換器電路分析——伏秒平衡20電感伏秒（磁鏈）平衡：系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后，由于電感電壓不斷重復變化，一個開關周期內其積分必然為0。如何分析變換器穩(wěn)態(tài)電壓電流關系？電壓單位為伏，時間單位為秒，電感電壓在一個開關周期內對時間積分（即總磁通鏈）為0，簡稱為伏秒平衡電力電子技術Buck變換器電路分析——電感電壓21通態(tài)電感電壓：(vi

?

vo)斷態(tài)電感電壓：(?vo)電力電子技術Buck變換器電路分析——電壓關系22電感伏秒平衡：小紋波假設：輸出電容Co足夠大、輸出電壓足夠穩(wěn)定時，可忽略輸入電壓vi和輸出電壓vo中的紋波，將二者分別視為恒定量Vi和Vo占空比D（0≤D≤1）輸入電壓不變時，增大占空比D能線性增加輸出電壓電力電子技術Buck變換器電路分析——安秒平衡23電容安秒（電荷）平衡：系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后，由于電容電流不斷重復變化，一個開關周期內其積分必然為0。如何分析變換器穩(wěn)態(tài)電壓電流關系？電流單位為安，時間單位為秒，電容電流在一個開關周期內對時間積分（即總電荷）為0，簡稱為安秒平衡電力電子技術Buck變換器電路分析——電容電流24通態(tài)電容電流：(il

?

io)斷態(tài)電容電流：

(il

?

io)電力電子技術Buck變換器電路分析——電流關系25電容安秒平衡：小紋波假設：忽略輸出電壓vo紋波和電感電流il紋波，將二者分別視為恒定量Vo和Il占空比D（0≤D≤1）Buck變換器理想工況下輸入輸出電壓和電流關系相反，功率守恒電力電子技術Buck變換器參數設計——系統(tǒng)參數26根據用戶需求確定Buck變換器額定輸入電壓Vi和輸出電壓Vo計算占空比：D=Vo/Vi根據負載計算額定輸出電流Io=Vo/Ro及輸入電流Ii=Dio計算輸入輸出功率Po=Pi=VoIo功率等級限制了開關頻率，一般來說，功率百瓦級Buck變換器開關頻率為數百kHz電力電子技術27Buck變換器參數設計——功率開關耐受電壓為(vi?vs)，通態(tài)0，斷態(tài)Vi通過電流為ii

，通態(tài)il，斷態(tài)0，平均值為

DIo，有效值為D1/2Io1.5~2倍的電壓和2~3倍的電流裕量電力電子技術28平均值和有效值平均值：先積分，后平均有效值（方均根或rms值）：先平方，再積分，后平均，最后開根號（電阻產生熱量相等）電力電子技術29Buck變換器參數設計——功率開關耐受電壓為vs，通態(tài)Vi，斷態(tài)0通過電流為id

，通態(tài)0

，斷態(tài)il，平均值為

D’Io（D’=1–D），有效值為D’1/2Io1.5~2倍的電壓和2~3倍的電流裕量電力電子技術30Buck變換器參數設計——濾波電感濾波電感與電流紋波密切相關通態(tài)下電感電流從最小值線性增長為最大值，斷態(tài)下電感電流從最大值線性減小為最小值電力電子技術31Buck變換器參數設計——濾波電感通態(tài)電感電壓：(Vi

?

Vo)斷態(tài)電感電壓：

(?Vo)電感電流紋波：電感電流紋波：電力電子技術32Buck變換器參數設計——濾波電感根據約20%電流紋波要求設計電感：電力電子技術33Buck變換器參數設計——濾波電容濾波電容與電壓紋波密切相關由于電感電流il的紋波通常遠大于電容電壓vo的紋波，計算電容電壓紋波時，通常忽略電容電壓紋波對自身的作用影響，也就是將電壓紋波作線性化處理電力電子技術34Buck變換器參數設計——濾波電容電感電流il>負載電流Io時，電容充電，充電持續(xù)時間為開關周期的一半Tsw/2，充電的電量為以Δil為幅值的三角形面積，電壓紋波：電力電子技術35Buck變換器參數設計——濾波電容當電流紋波和電壓紋波要求確定后，可根據下式設計輸出電容，留足裕量以保證擾動下和等效串聯(lián)電阻(ESR)壓降滿足設計要求：電力電子技術36Buck變換器參數設計——例子已知Buck變換器輸入電壓Vi=48V，輸出電壓Vo

=24V，負載電阻Ro

=4?

，開關頻率100kHz（開關周期Tsw

=10μs）。

計算：(1)占空比D，負載電流Io和功率Po

(2)電流紋波為25%時的最小濾波電感Lo_min

(2)電壓紋波為1%時的最小濾波電容Co_min(1)占空比：D=Vo/Vi=0.5，負載電流：

Io=Vo/Ro=6A，功率：

Po=VoIo=144W(2)最小濾波電感Lo_min：

Lo_min=2D’RoTsw=40μH(3)最小濾波電容Co_min：

Co_min=ΔilTsw/(0.08Vo)=7.81μF電力電子技術目錄：1.非隔離型DC-DC變換器(1)Buck變換器(2)Boost變換器(3)Buck-Boost變換器(4)其他非隔離型DC-DC變換器(5)DC-DC變換器共性技術2.隔離型DC-DC變換器(1)正激變換器(2)反激變換器(3)半橋變換器(4)全橋變換器(5)推挽變換器電力電子技術Boost變換器基本思想如何將一個直流電壓轉變?yōu)橐粋€較高的直流電壓？將Buck變換器的輸入輸出倒置,以同樣原理工作38電力電子技術Boost變換器基本思想注意主開關的位置！Buck變換器通常以連接正極的開關，Boost變換器通常以連接地的開關為主開關39電力電子技術Boost變換器電路拓撲40主開關采用全控型功率器件（如MOSFET）S1，輔開關用功率二極管D1-實現(xiàn)濾波電感Lo和濾波電容Co濾除高頻脈動分量，得到直流輸出電壓vo與Buck變換器相反，只能實現(xiàn)升壓電力電子技術Boost變換器等效電路41通態(tài)：S1導通，D1關斷斷態(tài)：S1關斷，D1導通電力電子技術Boost變換器工作波形42通態(tài)時間：Ton斷態(tài)時間：Toff電力電子技術Boost變換器電路分析——電感電壓43通態(tài)電感電壓：(vi)斷態(tài)電感電壓：(vi?vo)電力電子技術Boost變換器電路分析——電壓關系44電感伏秒平衡：小紋波假設：輸出電容Co足夠大、輸出電壓足夠穩(wěn)定時，可忽略輸入電壓vi和輸出電壓vo中的紋波，將二者分別視為恒定量Vi和Vo占空比D（0≤D≤1）輸入電壓不變時，增大占空比D或減少其補D’增加輸出電壓電力電子技術Boost變換器電路分析——電容電流45通態(tài)電容電流：(?io)斷態(tài)電容電流：(il?io)電力電子技術Boost變換器電路分析——電流關系46電容安秒平衡：小紋波假設：忽略輸出電流io紋波和電感電流il紋波，將二者分別視為恒定量Io和IlBoost變換器理想工況下輸入輸出電壓和電流關系相反，功率守恒電力電子技術Boost變換器參數設計——系統(tǒng)參數47根據用戶需求確定Boost變換器額定輸入電壓Vi和輸出電壓Vo計算占空比：D=(1?Vi/Vo)根據負載計算額定輸出電流Io=Vo/Ro及輸入電流Ii=Io/(1?D)計算輸入輸出功率Po=Pi=VoIo功率等級限制了開關頻率，一般來說，功率百瓦級Boost變換器開關頻率為數百kHz電力電子技術48Boost變換器參數設計——功率開關耐受電壓為vs，通態(tài)0，斷態(tài)Vo通過電流為(il?id)

，通態(tài)il，斷態(tài)0，平均值為

DIo/(1?D)，有效值為D1/2Io/(1?D)1/21.5~2倍的電壓和2~3倍的電流裕量電力電子技術49Boost變換器參數設計——功率開關耐受電壓為(vs?vo)，通態(tài)Vo，斷態(tài)0通過電流為id

，通態(tài)0，斷態(tài)il，平均值為

Io

，有效值為D’1/2Ii1.5~2倍的電壓和2~3倍的電流裕量電力電子技術50Boost變換器參數設計——濾波電感濾波電感與電流紋波密切相關通態(tài)下電感電流從最小值線性增長為最大值，斷態(tài)下電感電流從最大值線性減小為最小值電力電子技術51Boost變換器參數設計——濾波電感通態(tài)電感電壓：Vi斷態(tài)電感電壓：

(Vi?Vo)電感電流紋波：電感電流紋波：電力電子技術52Boost變換器參數設計——濾波電感根據20%電流紋波要求設計電感：電力電子技術53Boost變換器參數設計——濾波電容濾波電容與電壓紋波密切相關由于電感電流il的紋波通常遠大于電容電壓vo的紋波，計算電容電壓紋波時，通常忽略電容電壓紋波對自身的作用影響，令負載電流為恒定值Io電力電子技術54Boost變換器參數設計——濾波電容電感電流il>負載電流Io時，電容充電，充電持續(xù)時間為開關周期的一半Tsw/2，充電的電量為以Δil為幅值的三角形面積，電壓紋波：電力電子技術55Boost變換器參數設計——濾波電容當電流紋波和電壓紋波要求確定后，可根據上式設計輸出電容，留足裕量以保證擾動下和等效串聯(lián)電阻(ESR)壓降滿足設計要求通態(tài)電容電流：(?Io)電容電壓紋波：電力電子技術目錄：1.非隔離型DC-DC變換器(1)Buck變換器(2)Boost變換器(3)Buck-Boost變換器(4)其他非隔離型DC-DC變換器(5)DC-DC變換器共性技術2.隔離型DC-DC變換器(1)正激變換器(2)反激變換器(3)半橋變換器(4)全橋變換器(5)推挽變換器電力電子技術Buck-Boost變換器基本思想如何用一個變換器既能升壓又能降壓？57將Boost變換器級聯(lián)在Buck變換器之后電力電子技術Buck-Boost變換器等效電路58通態(tài)：S1和S4導通，S2和S3關斷斷態(tài)：S1和S4關斷，S2和S3導通電力電子技術Buck-Boost變換器簡化思路59通態(tài)：S1和S4導通，S2和S3關斷斷態(tài)：S1和S4關斷，S2和S3導通簡化Buck-Boost電力電子技術Buck-Boost變換器簡化思路60開關數量減少兩個×

輸出極性倒置簡化前后Buck-Boost變換器均有實際應用電力電子技術Buck-Boost變換器電路拓撲61主開關采用全控型功率器件（如MOSFET）S1，輔開關用功率二極管D1-實現(xiàn)濾波電感Lo和濾波電容Co濾除高頻脈動分量，得到直流輸出電壓vo結合Buck和Boost變換器特點，能同時實現(xiàn)升降壓電力電子技術Buck-Boost變換器工作波形62通態(tài)時間：Ton斷態(tài)時間：Toff電力電子技術Buck-Boost變換器電路分析——電感電壓63通態(tài)電感電壓：(vi)斷態(tài)電感電壓：(?vo)電力電子技術Buck-Boost變換器電路分析——電壓關系64電感伏秒平衡：小紋波假設：忽略輸入電壓vi和輸出電壓vo中的紋波，將二者分別視為恒定量Vi和Vo占空比D（0≤D≤1）當D>0.5時，Buck-Boost變換器處于升壓模式；當D<0.5時，Buck-Boost變換器處于降壓模式；Buck-Boost變換器的電壓比等于Buck變換器電壓比與Boost變換器電壓比的乘積電力電子技術Buck-Boost變換器電路分析——電容電流65通態(tài)電容電流：(?io)斷態(tài)電容電流：(il?io)電力電子技術Buck-Boost變換器電路分析——電流關系66電容安秒平衡：小紋波假設：忽略輸出電流io紋波和電感電流il紋波，將二者分別視為恒定量Io和IlBuck-Boost變換器理想工況下輸入輸出電壓和電流關系相反，功率守恒電力電子技術Buck-Boost變換器參數設計——系統(tǒng)參數67根據用戶需求確定Buck-Boost變換器額定輸入電壓Vi和輸出電壓Vo計算占空比：D=Vo/(Vi+Vo)根據負載計算額定輸出電流Io=Vo/Ro及輸入電流Ii=DIo/(1?D)計算輸入輸出功率Po=Pi=VoIo功率等級限制了開關頻率，一般來說，功率百瓦級Buck-Boost變換器開關頻率為數百kHz電力電子技術68Buck-Boost變換器參數設計——功率開關耐受電壓為(vi?vs)，通態(tài)0，斷態(tài)(Vi+Vo)通過電流為ii

，通態(tài)il，斷態(tài)0，平均值為

DIo/(1?D)，有效值為D1/2Io/(1?D)1.5~2倍的電壓和2~3倍的電流裕量電力電子技術69Buck-Boost變換器參數設計——功率開關耐受電壓為(vs+vo)，通態(tài)0，斷態(tài)(Vi+Vo)通過電流為id

，通態(tài)0，斷態(tài)il，平均值為Io

，有效值為D’?1/2Io1.5~2倍的電壓和2~3倍的電流裕量電力電子技術70Buck-Boost變換器參數設計——濾波電感濾波電感與電流紋波密切相關通態(tài)下電感電流從最小值線性增長為最大值，斷態(tài)下電感電流從最大值線性減小為最小值電力電子技術71Buck-Boost變換器參數設計——濾波電感通態(tài)電感電壓：Vi斷態(tài)電感電壓：

(

?Vo)電感電流紋波：電感電流紋波：電力電子技術72Buck-Boost變換器參數設計——濾波電感根據20%電流紋波要求設計電感：電力電子技術73Buck-Boost變換器參數設計——濾波電容濾波電容與電壓紋波密切相關由于電感電流il的紋波通常遠大于電容電壓vo的紋波，計算電容電壓紋波時，通常忽略電容電壓紋波對自身的作用影響，令負載電流為恒定值Io電力電子技術74Buck-Boost變換器參數設計——濾波電容電路通態(tài)時，電容放電，其電壓紋波線性下降。放電持續(xù)時間為通態(tài)時間Ton，放電的電量為輸出電流

Io的時間積分，電壓紋波為：通態(tài)電容電流：(?io)電力電子技術75Buck-Boost變換器參數設計——濾波電容電路通態(tài)時，電容放電，其電壓紋波線性下降。放電持續(xù)時間為通態(tài)時間Ton，放電的電量為輸出電流

Io的時間積分，電壓紋波和電容要求為：通態(tài)電容電流：(?io)電力電子技術目錄：1.非隔離型DC-DC變換器(1)Buck變換器(2)Boost變換器(3)Buck-Boost變換器(4)其他非隔離型DC-DC變換器(5)DC-DC變換器共性技術2.隔離型DC-DC變換器(1)正激變換器(2)反激變換器(3)半橋變換器(4)全橋變換器(5)推挽變換器電力電子技術?uk變換器基本思想還有其他的變換器既能升壓又能降壓嗎？77有的，把Buck變換器接在Boost變換器后面！Slobodan?uk:加州理工學院教授，?uk變換器@1977發(fā)明人電力電子技術?uk變換器基本思想還有其他的變換器既能升壓又能降壓嗎？78將Buck變換器級聯(lián)在Boost變換器之后電力電子技術?uk變換器等效電路79通態(tài)：S1和S4導通，S2和S3關斷斷態(tài)：S1和S4關斷，S2和S3導通電力電子技術?uk變換器電路拓撲80通態(tài)：S1和S4導通，S2和S3關斷斷態(tài)：S1和S4關斷，S2和S3導通輸入輸出端均連接電感，故輸入輸出電流連續(xù)電壓增益等于Boost和Buck變換器電壓比之積，即Vo/Vi=D/(1?D)倒置電容儲能電力電子技術SEPIC(Single-EndedPrimaryInductanceConverter)變換器還有其他的變換器既能升壓又能降壓嗎？81貝爾實驗室R.P.Massy和E.C.Snyder發(fā)明@1977，最初版本為隔離型交換了?uk變換器輸出電感和二極管的位置，輸出電壓極性為正電壓增益等于Boost和Buck變換器電壓比之積，即Vo/Vi=D/(1?D)電力電子技術ZETA變換器還有其他的變換器既能升壓又能降壓嗎？82交換了SEPIC變換器的輸入輸出（包括開關位置）電壓增益等于Boost和Buck變換器電壓比之積，即Vo/Vi=D/(1?D)SEPIC變換器ZETA變換器電力電子技術非隔離型變換器對比83常見非隔離型DC-DC變換器對比電力電子技術目錄：1.非隔離型DC-DC變換器(1)Buck變換器(2)Boost變換器(3)Buck-Boost變換器(4)其他非隔離型DC-DC變換器(5)DC-DC變換器共性技術2.隔離型DC-DC變換器(1)正激變換器(2)反激變換器(3)半橋變換器(4)全橋變換器(5)推挽變換器電力電子技術DC-DC變換器共性技術——脈沖寬度調制（PWM）技術怎么產生開關周期固定開通時間可調的PWM波？85直流：調制波鋸齒：載波調制波和載波比較產生：PWM波當載波幅值為1時，調制信號等于占空比D電力電子技術DC-DC變換器共性技術——脈沖寬度調制（PWM）技術86鋸齒波上升沿調制鋸齒波下降沿調制三角波上升下降沿調制實現(xiàn)簡單，載波通常用計數器或計時器生成實現(xiàn)簡單，載波通常用計數器或計時器生成對稱性好，在整流和逆變器中得到廣泛應用電力電子技術DC-DC變換器共性技術——連續(xù)、臨界與斷續(xù)工作模式87Buck變換器通態(tài)Buck變換器斷態(tài)連續(xù)導通模式(ContinuousCon-ductingMode,CCM)：電感電流始終為正電力電子技術DC-DC變換器共性技術——連續(xù)、臨界與斷續(xù)工作模式88Buck變換器通態(tài)Buck變換器斷態(tài)1斷續(xù)導通模式(DiscontinuousCon-ductingMode,DCM)：電感電流一段時間為零Buck變換器斷態(tài)2電力電子技術89電感伏秒平衡：小紋波假設：輸出電容Co足夠大、輸出電壓足夠穩(wěn)定時，可忽略輸入電壓vi和輸出電壓vo中的紋波，將二者分別視為恒定量Vi和Vo占空比D（0≤D≤1）斷續(xù)導通模式下輸出電壓Vo會比理論值偏大DC-DC變換器共性技術——連續(xù)、臨界與斷續(xù)工作模式電力電子技術90電容安秒平衡：在一個開關周期內電容充電量為il在Ton和Toff1階段的積分，電容放電量為額定負載電流Io對開關周期的積分+K系數與電感Lo成正比，與開關周期Ts和負載電阻Ro成反比DC-DC變換器共性技術——連續(xù)、臨界與斷續(xù)工作模式電力電子技術DC-DC變換器共性技術——連續(xù)、臨界與斷續(xù)工作模式91臨界導通模式(BoundaryCon-ductingMode,BCM)：電感電流剛好為零Buck變換器通態(tài)Buck變換器斷態(tài)電力電子技術DC-DC變換器共性技術——連續(xù)、臨界與斷續(xù)工作模式92臨界模式下輸出電流額定值Io與紋波電流Δil相等，因此斷續(xù)條件為：Lo越小、Ts越大、或Ro越大時，K越小，越容易進入斷續(xù)導通模式電力電子技術DC-DC變換器共性技術——同步整流93MOSFET代替二極管減小功率二極管的導通壓降和損耗為電感電流提供反向續(xù)流通路，電流反向通過S2以避免進入斷續(xù)導通模式電力電子技術DC-DC變換器共性技術——多相多重電路94處理大電流或大功率，多變換器并聯(lián)運行多相：輸入側并聯(lián)數量，重數：輸出側并聯(lián)數量開關驅動信號錯相，紋波頻率加倍，減小濾波器體積和重量兩相兩重Buck變換器電力電子技術DC-DC變換器共性問題——寄生元件95×實際的濾波電感和濾波電容包含寄生參數，其中影響最大的是等效串聯(lián)電阻(ESR)，限制了Boost變換器電壓增益電路分析變得復雜，但伏秒平衡和安秒平衡仍然適用電力電子技術目錄：1.非隔離型DC-DC變換器(1)Buck變換器(2)Boost變換器(3)Buck-Boost變換器(4)其他非隔離型DC-DC變換器(5)DC-DC變換器共性技術2.隔離型DC-DC變換器(1)正激變換器(2)反激變換器(3)半橋變換器(4)全橋變換器(5)推挽變換器電力電子技術隔離的目的通交流、阻直流，實現(xiàn)輸入輸出隔離保證多路輸出時，輸出端間互不干擾通過變壓器提升或降低輸入輸出電壓比，適用于輸入輸出電壓比遠大于或小于1的情形97與常見的工頻變壓器不同，高頻變壓器的工作頻率為變換器開關頻率電力電子技術隔離型DC-DC變換器（DC-AC-DC變換器）單端(SingleEnd)：原副邊繞組單向通流勵磁或去磁例子：正激(Forward)變換器、反激(Flyback)變換器雙端(DoubleEnd)：變壓器原副邊繞組通過正負對稱電流例子：

半橋(Half-bridge)、全橋(Full--bridge)和推挽(Push-pull)變換器隔離型高頻隔離變壓器或耦合電感電路中有交流環(huán)節(jié)98電力電子技術目錄：1.非隔離型DC-DC變換器(1)Buck變換器(2)Boost變換器(3)Buck-Boost變換器(4)其他非隔離型DC-DC變換器(5)DC-DC變換器共性技術2.隔離型DC-DC變換器(1)正激變換器(2)反激變換器(3)半橋變換器(4)全橋變換器(5)推挽變換器電力電子技術正激變換器(Forward)基本思想怎么從已有的非隔離型變換器得到隔離型變換器？100單開關正激變換器在Buck變換器的基礎上添加隔離變壓器電力電子技術正激變換器等效電路101通態(tài)：S1和S1’導通，S2關斷斷態(tài)：S1和S1’關斷，S2導通W1和W2分別為變壓器原副邊繞組，N1和N2分別為原副邊繞組匝數電力電子技術正激變換器等效電路102通態(tài)：S1和S1’導通，S2關斷斷態(tài)：S1和S1’關斷，S2導通濾波電感和電容與Buck變換器工作狀態(tài)相同通態(tài)時正激變換器中變壓器原邊電流為iw1，副邊電流為iw2，兩者均為帶紋波的直流電。理想變壓器的原副邊電壓/電流關系如下：電力電子技術正激變換器實際電路103勵磁電流為直流,變壓器僅充電不放電，磁鏈不平衡，需要磁心復位實際的正激變換器通常包含復位繞組W3電力電子技術正激變換器工作波形104復位時,D3導通，開關S1電壓為(Vi+ViN1/N3)復位后,D3關斷，開關S1電壓為(Vi)電力電子技術105濾波電感伏秒平衡：小紋波假設：輸出電容Co足夠大、輸出電壓足夠穩(wěn)定時，可忽略輸入電壓vi和輸出電壓vo中的紋波，將二者分別視為恒定量Vi和Vo占空比D（0≤D≤1）正激變換器的電壓比是占空比D與變壓器匝數比N2/N1之積正激變換器電壓關系電力電子技術106變壓器電感伏秒平衡（對繞組W1的端電壓在一個開關周期內積分）：正激變換器斷態(tài)時間要求×復位時間Trst限制了正激變換器的最大占空比×當N3=N1時，復位時間Trst與開通時間Ton相同，即最大占空比為0.5×減小匝數比N3/N1可以加快變壓器復位，但會增加開關S1的電壓應力電力電子技術目錄：1.非隔離型DC-DC變換器(1)Buck變換器(2)Boost變換器(3)Buck-Boost變換器(4)其他非隔離型DC-DC變換器(5)DC-DC變換器共性技術2.隔離型DC-DC變換器(1)正激變換器(2)反激變換器(3)半橋變換器(4)全橋變換器(5)推挽變換器電力電子技術反激變換器(Flyback)基本思想有比正激變換器更簡單的隔離型變換器嗎？108反激變換器的基本思想是在Buck-Boost變換器的基礎上添加隔離變壓器電力電子技術反激變換器等效電路109通態(tài)：S1導通，S2關斷斷態(tài)：S1關斷，S2導通W1和W2分別為變壓器原副邊繞組，N1和N2分別為原副邊繞組匝數電力電子技術反激變換器電路拓撲110調換了副邊同名端極性，反激變換器輸出電壓極性為正反激變換器結構非常簡單通態(tài)變壓器原邊充電，斷態(tài)變換器副邊放電電力電子技術反激變換器工作波形111通態(tài)：原邊繞組W1兩端電壓為Vi斷態(tài)：副邊繞組W2兩端電壓為(?Vo)電力電子技術反激變換器工作波形112通態(tài)：副邊開關耐壓為(Vo+ViN2/N1)斷態(tài)：原邊開關耐壓(Vi+VoN1/N2)電力電子技術113變壓器勵磁電感伏秒平衡：小紋波假設：輸出電容Co足夠大、輸出電壓足夠穩(wěn)定時，可忽略輸入電壓vi和輸出電壓vo中的紋波，將二者分別視為恒定量Vi和Vo占空比D（0≤D≤1）反激變換器的電壓比是Buck-Boost電壓比與變壓器匝數比N2/N1之積反激變換器電壓關系電力電子技術目錄：1.非隔離型DC-DC變換器(1)Buck變換器(2)Boost變換器(3)Buck-Boost變換器(4)其他非隔離型DC-DC變換器(5)DC-DC變換器共性技術2.隔離型DC-DC變換器(1)正激變換器(2)反激變換器(3)半橋變換器(4)全橋變換器(5)推挽變換器電力電子技術半橋逆變基本思想能從已有的非隔離型DC-DC變換器逆變出AC嗎？115半橋逆變的基本思想是把Buck變換器的輸入部分負極移動至vi/2電力電子技術半橋整流（全波整流）基本思想能對已有的非隔離型DC-DC變換器接入AC嗎？116全波整流的基本思想是把Buck變換器的輸出部分用雙二極管輸入電力電子技術半橋變換器電路能將半橋逆變和全波整流組合嗎？117將半橋逆變與全波整流相結合，并加入隔離變壓器，得到半橋變換器電力電子技術半橋變換器工作波形118當S1導通S2關斷時,繞組W1兩端電壓為正,稱為通態(tài)1當S1關斷S2導通時，W1兩端電壓為負,稱為通態(tài)2電力電子技術半橋變換器工作波形119通態(tài)1電感電流線性增大，持續(xù)為Ton通態(tài)2電感電流線性增大，持續(xù)也為Ton電力電子技術半橋變換器工作波形120通態(tài)1和通態(tài)2之間加入截止狀態(tài)。此時，S1和S2均關斷，電感電流il同時通過二極管D1和D2續(xù)流，電感電流線性減小電感電流紋波加倍電力電子技術121濾波電感伏秒平衡：小紋波假設：輸出電容Co足夠大、輸出電壓足夠穩(wěn)定時，可忽略輸入電壓vi和輸出電壓vo中的紋波，將二者分別視為恒定量Vi和Vo占空比D（0≤D≤0.5）半橋變換器的電壓比等于Buck變換器的電壓比乘變壓器匝數比半橋變換器電壓關系電力電子技術目錄：1.非隔離型DC-DC變換器(1)Buck變換器(2)Boost變換器(3)Buck-Boost變換器(4)其他非隔離型DC-DC變換器(5)DC-DC變換器共性技術2.隔離型DC-DC變換器(1)正激變換器(2)反激變換器(3)半橋變換器(4)全橋變換器(5)推挽變換器電力電子技術全橋逆變基本思想能從已有的非隔離型DC-DC變換器逆變出AC嗎？123全橋逆變的基本思想是將兩個Buck變換器的輸入部分并聯(lián)，兩個開關結點電壓之差vs為交流電壓電力電子技術全橋整流基本思想能對已有的非隔離型DC-DC變換器接入AC嗎？124全橋整流的基本思想是把Buck變換器的輸出部分用二極管橋輸入電力電子技術全橋變換器電路能將全橋逆變和全橋整流組合嗎？125將全橋逆變與全橋整流相結合，并加入隔離變壓器，得到全橋變換器電力電子技術全半橋變換器工作波形126全橋變換器與半橋變換器工作波形基本一致當S1,

S4導通S2,

S3關斷時,W1兩端電壓為正,稱為通態(tài)1當S2,

S3導通S1,

S4關斷時，W1兩端電壓為負,稱為通態(tài)2電力電子技術全半橋變換器工作波形127通態(tài)1電感電流線性增大，持續(xù)為Ton通態(tài)2電感電流也線性增大，持續(xù)為Ton斷態(tài)時，S1~S4均關斷，電感電流通過D1~D4續(xù)流，電感電流線性下降電力電子技術128濾波電感伏秒平衡：小紋波假設：輸出電容Co足夠大、輸出電壓足夠穩(wěn)定時，可忽略輸入電壓vi和輸出電壓vo中的紋波，將二者分別視為恒定量Vi和Vo占空比D（0≤D≤0.5）全橋變換器的電壓比為半橋變換器電壓比的兩倍全橋變換器電壓關系電力電子技術半橋全橋變換器對比129電壓應力小、變壓器結構簡單，因此更適用于高壓大功率場合開關數量少、管壓降低，因此更適用于低壓小功率場合半橋變換器全橋變換器電力電子技術半橋全橋變換器對比130如果兩個通態(tài)時間不一致，則變壓器繞組中有直流電流分量，會導致變壓器磁心飽和半橋電路不容易磁飽和，因為不均勻的通態(tài)時間會使兩個電容電壓出現(xiàn)偏差，有助于伏秒平衡半橋變換器全橋變換器電力電子技術雙向有源橋變換器電路能將全橋逆變和全橋整流用同樣的結構嗎？131電流和能量均能雙向流動電力電子技術目錄：1.非隔離型DC-DC變換器(1)Buck變換器(2)Boost變換器(3)Buck-Boost變換器(4)其他非隔離型DC-DC變換器(5)DC-DC變換器共性技術2.隔離型DC-DC變換器(1)正激變換器(2)反激變換器(3)半橋變換器(4)全橋變換器(5)推挽變換器電力電子技術推挽逆變基本思想還能從已有的非隔離型DC-DC變換器逆變出AC嗎？133將兩個Buck變換器的輸入部分同時使用，產生兩個開關結點電壓，與全波整流的結構相同，僅輸入輸出對調電力電子技術推挽變換器電路能將推挽逆變和全波整流組合嗎？134將推挽逆變結合全波整流電路，加入隔離變壓器后，得到推挽變換器電力電子技術推挽變換器工作波形135工作波形與半橋變換器相同當S1導通S2關斷時,繞組W1兩端電壓為正,稱為通態(tài)1當S1關斷S2導通時，W1兩端電壓為負,稱為通態(tài)2電力電子技術推挽變換器工作波形136通態(tài)1電感電流線性增大，持續(xù)為Ton通態(tài)2電感電流線性增大，持續(xù)也為Ton電力電子技術推挽變換器工作波形137通態(tài)1和通態(tài)2之間加入截止狀態(tài)。此時，S1和S2均關斷，電感電流il同時通過二極管D1和D2續(xù)流，電感電流線性減小電感電流紋波加倍電力電子技術138濾波電感伏秒平衡：小紋波假設：輸出電容Co足夠大、輸出電壓足夠穩(wěn)定時，可忽略輸入電壓vi和輸出電壓vo中的紋波，將二者分別視為恒定量Vi和Vo占空比D（0≤D≤0.5）推挽變換器的電壓比與全橋變換器的電壓比相同推挽變換器電壓關系電力電子技術半橋推挽變換器對比139節(jié)省輸入電容，但開關電壓應力加倍，適用于低壓場合開關電壓應力相比較低，適用于低壓場合半橋變換器推挽變換器電力電子技術常見隔離型變換器對比140常見隔離型DC-DC變換器對比第三章軟開關技術主講教師：XXX電力電子技術學習目標：明確軟開關技術的目的理解變換器損耗的來源和分類掌握軟開關技術的基本思想(4)熟悉軟開關技術的分類方法(5)了解典型軟開關DC-DC變換器的工作原理電力電子技術問題思考：手機、筆記本電腦都需要使用變換器（如各類電源）完成能量變換，如何在充電和用電的過程中提高變換器的轉化效率？怎樣才能減小變換器的體積和重量？什么技術能減少變換器間及對其他設備的干擾呢？電力電子技術變換器小型化和輕量化的途徑提高開關頻率是減小電感電流和電容電壓紋波的有效手段紋波要求不變時，提高開關頻率意味著減小濾波電感電容參數減小濾波電感電容能減小變換器體積、重量和成本然而，提高開關頻率會導致開關損耗增加，變換器效率降低144fsw電力電子技術軟開關技術目的提高變換器效率，減少開關損耗通過減少開關損耗提高開關頻率，從而減小變換器的體積、重量和成本減少電壓和電流變化率，降低電磁噪聲干擾145fsw電力電子技術軟開關技術分類零電壓開關(ZeroVoltageSwitching，ZVS)零電流開關(ZeroCurrentSwitching，ZCS)機理準諧振變換器零開關PWM變換器零轉換PWM變換器實現(xiàn)軟開關技術146電力電子技術目錄：1.變換器損耗分析(1)功率半導體損耗(2)無源元件損耗2.軟開關技術及分類(1)軟開關技術基本思想(2)軟開關技術機理及分類3.典型軟開關變換器(1)準諧振變換器(2)零開關PWM變換器(3)零轉換PWM變換器電力電子技術目錄：1.變換器損耗分析(1)功率半導體損耗(2)無源元件損耗2.軟開關技術及分類(1)軟開關技術基本思想(2)軟開關技術機理及分類3.典型軟開關變換器(1)準諧振變換器(2)零開關PWM變換器(3)零轉換PWM變換器電力電子技術變換器效率實際變換器效率為什么不是100%呢？變換器損耗無法避免，效率不能無限提高149電力電子技術變換器損耗來源150功率半導體開關損耗無源元件損耗電力電子技術目錄：1.變換器損耗分析(1)功率半導體損耗(2)無源元件損耗2.軟開關技術及分類(1)軟開關技術基本思想(2)軟開關技術機理及分類3.典型軟開關變換器(1)準諧振變換器(2)零開關PWM變換器(3)零轉換PWM變換器電力電子技術功率半導體損耗分類152功率半導體開關通態(tài)損耗開關損耗：開通+關斷功率半導體損耗分類電力電子技術功率半導體損耗——理想通態(tài)153通態(tài)斷態(tài)理想通態(tài)：短路，通態(tài)電壓為0V，損耗為0W理想斷態(tài)：斷路，斷態(tài)電流為0A，損耗為0W電力電子技術功率半導體損耗——通態(tài)損耗154MOSFETIGBT和二極管理想模型理想模型實際模型：電阻通態(tài)損耗pcon=

vsis實際模型：電壓源通態(tài)損耗pcon=

vsis電力電子技術功率半導體損耗——通態(tài)損耗155實際模型：電阻通態(tài)損耗pcon=

vsis實際模型：電壓源通態(tài)損耗pcon=

vsis通態(tài)損耗主要由器件特性和電流決定電流越大損耗越大MOSFET的通態(tài)行為可由電阻近似，其壓降與電流成正比IGBT的通態(tài)可等效為電壓源，其管壓降固定不變開關頻率較低時，損耗主要由通態(tài)損耗決定電力電子技術功率半導體損耗——理想開關156理想開通：瞬間完成，電壓電流波形無交疊理想關斷：瞬間完成，電壓電流波形無交疊電力電子技術功率半導體損耗——開關損耗157實際開通：電流is增長，電壓vs下降，開通損耗psw_on為電壓和電流的乘積實際關斷：電流is下降，電壓vs增長，關斷損耗psw_off為電壓和電流的乘積開通和關斷過程中，損耗均先增大，再減小電力電子技術功率半導體損耗——開關損耗158開關損耗主要由器件特性、開關頻率和器件電壓決定開關頻率越高，開關損耗越大工作電壓越高，開關損耗越大隨著開關頻率的提高，開關損耗逐漸占據主導地位電力電子技術功率半導體損耗——損耗估算159開關損耗：開通損耗：關斷損耗：通態(tài)損耗：通態(tài)損耗：總損耗：開關損耗+通態(tài)損耗電力電子技術功率半導體損耗——電磁干擾160半導體開關在開通和關斷的過程中，電壓和電流均快速變化電壓變化率(dvs/dt)和電流變化率(dis/dt)很大，可能導致電磁干擾問題包括通過線路傳導的傳導干擾和通過空間輻射電磁波的輻射干擾兩類減少電磁干擾也是軟開關電路的重要目標之一電力電子技術目錄：1.變換器損耗分析(1)功率半導體損耗(2)無源元件損耗2.軟開關技術及分類(1)軟開關技術基本思想(2)軟開關技術機理及分類3.典型軟開關變換器(1)準諧振變換器(2)零開關PWM變換器(3)零轉換PWM變換器電力電子技術無源元件損耗分類162功率半導體開關電阻損耗電容損耗（耦合）電感損耗無源元件損耗分類電力電子技術無源元件損耗——電阻損耗163限流電阻功率電阻在無源阻尼、電機制動和啟動限流等場合下必不可少的帶來損耗電力電子技術無源元件損耗——電容損耗164電容包含寄生參數，其中影響最大的是等效串聯(lián)電阻(ESR)寄生電阻導致電容損耗，通常較電感損耗小限制了Boost變換器電壓增益電力電子技術無源元件損耗——電感損耗165電感損耗由阻性損耗（銅耗）和磁性材料損耗（鐵耗）組成磁性材料在交變電磁場的作用下會引起損耗，分為磁滯損耗和渦流損耗兩種磁滯損耗指磁化和去磁過程中的非線性磁滯回線引起的損耗，渦流損耗是導體的電磁感應導致自身內部渦流引起的損耗電力電子技術目錄：1.變換器損耗分析(1)功率半導體損耗(2)無源元件損耗2.軟開關技術及分類(1)軟開關技術基本思想(2)軟開關技術機理及分類3.典型軟開關變換器(1)準諧振變換器(2)零開關PWM變換器(3)零轉換PWM變換器電力電子技術硬開關與軟開關硬開關：不使用額外技術，電壓電流波形存在交疊，損耗較大軟開關：使用額外技術，電壓電流波形不存在交疊或交疊大大減少，損耗較小使用軟開關技術的變換器電路也稱為軟開關電路167電力電子技術目錄：1.變換器損耗分析(1)功率半導體損耗(2)無源元件損耗2.軟開關技術及分類(1)軟開關技術基本思想(2)軟開關技術機理及分類3.典型軟開關變換器(1)準諧振變換器(2)零開關PWM變換器(3)零轉換PWM變換器電力電子技術軟開關技術基本思想增加元件形成LC諧振改變開通或關斷過程中的電壓電流波形減少或消除電壓電流波形交疊以減少開關損耗同時減少電壓電流變化率和開關噪聲169電力電子技術軟開關技術基本思想減小開通過程電壓和電流交疊減小關斷過程電壓和電流交疊減小開通過程電壓和電流變化率減小關斷過程電壓和電流變化率170電力電子技術目錄：1.變換器損耗分析(1)功率半導體損耗(2)無源元件損耗2.軟開關技術及分類(1)軟開關技術基本思想(2)軟開關技術機理及分類3.典型軟開關變換器(1)準諧振變換器(2)零開關PWM變換器(3)零轉換PWM變換器電力電子技術軟開關技術基本思想零電壓開通：通過軟開關技術使開關開通前兩端電壓為0，從而消除電壓和電流波形的交疊區(qū)零電流開通：指開關開通過程中，限制電流的上升率，從而減小電壓和電流波形的交疊區(qū)（電感與開關器件串聯(lián)來實現(xiàn)）172電力電子技術軟開關技術基本思想零電流關斷：指通過軟開關技術使開關關斷前電流為0，從而消除電壓和電流波形的交疊區(qū)零電壓關斷：指開關關斷過程中，限制電壓的上升率，從而減小電壓和電流波形的交疊區(qū)（電容與開關器件并聯(lián)實現(xiàn)）173電力電子技術軟開關技術基本思想零電壓開通和零電流關斷能消除開關損耗，零電流開通和零電壓關斷僅能減少開關損耗軟開關技術中的零電壓開關(ZVS)和零電流開關(ZCS)分別特指零電壓開通和零電流關斷174電力電子技術目錄：1.變換器損耗分析(1)功率半導體損耗(2)無源元件損耗2.軟開關技術及分類(1)軟開關技術基本思想(2)軟開關技術機理及分類3.典型軟開關變換器(1)準諧振變換器(2)零開關PWM變換器(3)零轉換PWM變換器電力電子技術典型軟開關變換器分類17