第5章DCDC变换技术ppt课件

第第5 5章章 D DC C-D DC C变变换换技技术术n n5.1 概述n n5.2 DC-DC变换器的基本电路拓扑n n5.3 带变压器隔离的DC-DC变换器原理5.4 PWM控制器原理返回精品文档精品文档第5章 DC-DC变换技术5.1 概述返回精品文档5.1 概述n n将一个不受控制的输入直流电压变换成为另一个受控的输将一个不受控制的输入直流电压变换成为另一个受控的输出直流电压称之为出直流电压称之为DC-DCDC-DC变换。变换。n n随着科学技术的发展，对电子设备的要求是：随着科学技术的发展，对电子设备的要求是：性能更加性能更加可靠；可靠；功能不断增加；功能不断增加；使用更加方便；使用更加方便；体积日益减体积日益减小。这些使小。这些使DC-DCDC-DC变换技术变得更加重要。目前，变换技术变得更加重要。目前，DC-DCDC-DC变变换器在计算机、航空、航天、水下行器、通信及电视等领换器在计算机、航空、航天、水下行器、通信及电视等领域得到了广泛的应用，同时，这些应用也促进了域得到了广泛的应用，同时，这些应用也促进了DC-DCDC-DC变换变换技术的进一步发展。技术的进一步发展。n n实现实现DC-DCDC-DC变换有两种模式，一种是线性调节模式变换有两种模式，一种是线性调节模式(Linear(Linear Regulator)Regulator)，另一种是开关调节模式（，另一种是开关调节模式（Switching Switching RegulatorRegulator）。）。精品文档精品文档5.1 概述将一个不受控制的输入直流电压变换成为另一个受1 1、两种调节模式及比较、两种调节模式及比较n n线性调节器模式如图线性调节器模式如图5-1a5-1a所示，在这种模式中晶所示，在这种模式中晶体管工作在线性工作区，其输出电压为体管工作在线性工作区，其输出电压为 。晶体管模型可以用可调电阻。晶体管模型可以用可调电阻R RT T等效，其等效电等效，其等效电路如图路如图5-1b5-1b所示。显然晶体管功率损耗为所示。显然晶体管功率损耗为 。n n开关调节模式如图开关调节模式如图5-2a5-2a所示，其等效电路和输出所示，其等效电路和输出电压如图电压如图5-2b5-2b、5-2c5-2c所示。所示。n n假设：晶体管关断时，假设：晶体管关断时，；晶体管导通时；晶体管导通时 ；则该晶体管为理想开关（；则该晶体管为理想开关（Ideal switchIdeal switch），在），在理想开关情况下，晶体管损耗为零。两种模式的理想开关情况下，晶体管损耗为零。两种模式的电源方块图如图电源方块图如图5-3a5-3a和图和图5-3b5-3b所示。所示。精品文档精品文档1、两种调节模式及比较精品文档 图5-1 a 线性调节器模式 b 等效电路图5-2a开关调节模式图 5-2b等效电路图 5-2c输出电压精品文档精品文档 图5-1 a 线性调节器模式 a 线性模式电源框图b 开关模式电源(SMPS:Switch-mode power supply)框图图5-3线性电源和开关电源框图精品文档精品文档 a 线性模式电源框图b 开关模式电源(SMPS:Switn n开关调节模式与线性调节模式相比具有明显的特点：开关调节模式与线性调节模式相比具有明显的特点：n n1 1、功耗小、效率高。在、功耗小、效率高。在DC-DCDC-DC变换中，电力半导体器件工变换中，电力半导体器件工作在开关状态，工作频率很高，目前这个工作频率已达到作在开关状态，工作频率很高，目前这个工作频率已达到数百甚至数百甚至1000KHz1000KHz，这使电力半导体器件功耗减少、效率，这使电力半导体器件功耗减少、效率大幅度提高。大幅度提高。n n2 2、体积小、重量轻。由于频率提高，使脉冲变压器、滤、体积小、重量轻。由于频率提高，使脉冲变压器、滤波电感、电容的体积、重量大大减小，同时，由于效率提波电感、电容的体积、重量大大减小，同时，由于效率提高，散热器体积也减小。还由于高，散热器体积也减小。还由于DC-DCDC-DC变换无笨重的工频变换无笨重的工频变压器，所以变压器，所以DC-DCDC-DC变换体积小、重量轻。变换体积小、重量轻。n n3 3、稳压范围宽。目前、稳压范围宽。目前DC-DCDC-DC变换中基本使用脉宽调制变换中基本使用脉宽调制（PWMPWM）技术，通过调节脉宽来调节输出电压，对输入电）技术，通过调节脉宽来调节输出电压，对输入电压变化也可调节脉宽来进行补偿，所以稳压范围宽。压变化也可调节脉宽来进行补偿，所以稳压范围宽。n n由于电力半导体器件工作在高频开关状态，它所产生的电由于电力半导体器件工作在高频开关状态，它所产生的电流和电压会通过各种耦合途径，产生传导干扰和辐射干扰。流和电压会通过各种耦合途径，产生传导干扰和辐射干扰。目前，许多国家包括我国对电子产品的电磁兼容性和电磁目前，许多国家包括我国对电子产品的电磁兼容性和电磁干扰制定了许多强制性标准，任何电子产品如果不符合标干扰制定了许多强制性标准，任何电子产品如果不符合标准不得进入市场。准不得进入市场。精品文档精品文档开关调节模式与线性调节模式相比具有明显的特点：精品文档n n2 DC-DC2 DC-DC变换分类：变换分类：1 1）按激励方式划分。由于电力半导体器件需要激励信号，）按激励方式划分。由于电力半导体器件需要激励信号，按激励方式划分为它激式和自激式两种方式，它激式按激励方式划分为它激式和自激式两种方式，它激式DC-DC-DCDC变换中有专业的电路产生激励信号控制电力半导体器件变换中有专业的电路产生激励信号控制电力半导体器件开关；自激式变换中电力半导体器件是作为振荡器的一部开关；自激式变换中电力半导体器件是作为振荡器的一部分（作为振荡器的振荡管）。分（作为振荡器的振荡管）。2 2）按调制方式划分。目前在变換中常使用脉宽调制和频率按调制方式划分。目前在变換中常使用脉宽调制和频率调制两种方式，脉宽调制调制两种方式，脉宽调制PWMPWM（pulse width pulse width modulationmodulation）是电力半导体器件工作频率保持不变，通过）是电力半导体器件工作频率保持不变，通过调整脉冲宽度达到调整输出电压。频率调制调整脉冲宽度达到调整输出电压。频率调制PFMPFM（pulse pulse frequent modulationfrequent modulation）是保持开通时间不变，通过调节）是保持开通时间不变，通过调节电力半导体器件开关工作频率达到调整输出电压。频率调电力半导体器件开关工作频率达到调整输出电压。频率调制在制在DC-DCDC-DC变换器设计中由于易产生谐波干扰、且滤波器变换器设计中由于易产生谐波干扰、且滤波器设计困难。脉宽调制与频率调制相比具有明显的优点，目设计困难。脉宽调制与频率调制相比具有明显的优点，目前在前在DC-DCDC-DC变换中占据主导地位。还有混合式，即在某种变换中占据主导地位。还有混合式，即在某种条件下使用脉宽调制（条件下使用脉宽调制（PWMPWM），在另一条件下使用频率调），在另一条件下使用频率调制（制（PFMPFM）。）。3 3）按储能电感与负载连接方式划分。可分为串联型和并联）按储能电感与负载连接方式划分。可分为串联型和并联型两种。储能电感串联在输入输出之间称之为串联型；储型两种。储能电感串联在输入输出之间称之为串联型；储能电感并联在输出与输入之间称之为并联型。能电感并联在输出与输入之间称之为并联型。精品文档精品文档2 DC-DC变换分类：精品文档4 4）按电力半导体器件在开关过程中是否承受电压、电流应）按电力半导体器件在开关过程中是否承受电压、电流应力划分。可分为硬开关和软开关。所谓软开关是指电力半力划分。可分为硬开关和软开关。所谓软开关是指电力半导体器件在开关过程中承受零电压（导体器件在开关过程中承受零电压（ZVSZVS）或零电流）或零电流（ZISZIS）。）。5 5）按输入输出电压大小划分。可分为降压型和升压型。）按输入输出电压大小划分。可分为降压型和升压型。6 6）按输入与输出之间是否有电气隔离划分。可分为隔离型）按输入与输出之间是否有电气隔离划分。可分为隔离型和不隔离型。隔离型和不隔离型。隔离型DC-DCDC-DC变换器按电力半导体器件的个变换器按电力半导体器件的个数可分为：单管数可分为：单管DC-DCDC-DC变换器变换器 单端正激（单端正激（ForwardForward）、单）、单端反激端反激(Flyback)(Flyback)；双管；双管DC-DCDC-DC变换器变换器 双管正激双管正激(Double(Double transistor forward converter)transistor forward converter)、双管反激（、双管反激（Double Double transistor flyback convertertransistor flyback converter）、推挽电路（）、推挽电路（Push-Push-pull converterpull converter）和半桥电路（）和半桥电路（Half-bridge Half-bridge converterconverter）等）等；四管；四管DC-DCDC-DC变换器即全桥变换器即全桥DC-DCDC-DC变换器变换器（Full-bradge converterFull-bradge converter）。不隔离型主要有降压式）。不隔离型主要有降压式（BuckBuck）变换器、升压式（）变换器、升压式（BoostBoost）变换器、升降压式）变换器、升降压式（Buck-BoostBuck-Boost）变换器、）变换器、CukCuk变换器、变换器、ZetaZeta变换器、变换器、SepicSepic变换器等。变换器等。精品文档精品文档4）按电力半导体器件在开关过程中是否承受电压、电流应力划分。3 3、DC-DCDC-DC变换器的要求及主要技术指标变换器的要求及主要技术指标 1 1）输入参数：输入电压及输入电压变化范围；输）输入参数：输入电压及输入电压变化范围；输入电流及输入电流变化范围；入电流及输入电流变化范围；2 2）输出参数：输出电压及输出电压变化范围；输出）输出参数：输出电压及输出电压变化范围；输出电流及输出电流变化范围；输出电压稳压精度。电流及输出电流变化范围；输出电压稳压精度。n n输出电压稳压精度，包括两个内容输出电压稳压精度，包括两个内容:n n负载调整率，即负载效应。指当负载在负载调整率，即负载效应。指当负载在0-100%0-100%额额定电流范围内变化时，输出电压的变化量与输出定电流范围内变化时，输出电压的变化量与输出电压额定值的比值。电压额定值的比值。n n源效应是指当输入电压在规定范围内变化时，输源效应是指当输入电压在规定范围内变化时，输出电压的变化量与输出电压额定值的比值。出电压的变化量与输出电压额定值的比值。n n效率效率n n输出电压纹波有效值和峰输出电压纹波有效值和峰-峰值峰值n n比功率（功率比功率（功率/重量）重量）,是表征小型化的重要指标。是表征小型化的重要指标。返回精品文档精品文档3、DC-DC变换器的要求及主要技术指标返回精品文档5 5.2 2 D DC C-D DC C变变换换器器的的基基本本电电路路1 1、BuckBuck电路电路 n nBuckBuck电路又称为串联开关稳压电路，或降压斩波电路又称为串联开关稳压电路，或降压斩波电路。电路。BuckBuck变换器原理图如图变换器原理图如图5-5a5-5a所示。它有两所示。它有两种基本工作模式，即电感电流连续模式种基本工作模式，即电感电流连续模式CCMCCM和电感和电感电流断续模式。电感电流连续是指输出滤波电感电流断续模式。电感电流连续是指输出滤波电感电流总是大于零，电感电流断续是指在开关管关电流总是大于零，电感电流断续是指在开关管关断期间有一段时间电感电流为零，这两种状态之断期间有一段时间电感电流为零，这两种状态之间有一个临界状态，即在开关管关断末期电感电间有一个临界状态，即在开关管关断末期电感电流刚好为零。电感电流连续时，流刚好为零。电感电流连续时，BuckBuck变换器存在变换器存在两种开关状态；电感电流断续时，两种开关状态；电感电流断续时，BuckBuck变换器存变换器存在三种开关状态；如图在三种开关状态；如图5-5b5-5b、c c、d d所示。所示。精品文档精品文档5.2 DC-DC变换器的基本电路1、Buck电路 精图5-5 Buck变换器原理图及不同开关状态下的等效电路图 精品文档精品文档图5-5 Buck变换器原理图及不同开关状态下的等效电路图 n n将图5-6所示的方波信号加到功率半导体器件的控制极，功率半导体器件在控制信号激励下，周期性的开关。通过电感中的电流iL是否连续取决于开关频率、滤波电感和电容的数值。电感电流iL连续条件下其工作波形如图5-6a所示。电路稳定状态下的工作分析如下：n n1）电感电流连续模式CCM（Continuous current mode）精品文档精品文档将图5-6所示的方波信号加到功率半导体器件的控制极，功率半导图5-6 Buck电路图各点波形精品文档精品文档图5-6 Buck电路图各点波形精品文档n n开关状态开关状态1 1：Q Q导通导通n nt=0t=0时刻，时刻，Q Q管被激励导通，二极管管被激励导通，二极管D D中的电流迅速中的电流迅速转换到转换到Q Q管。二极管管。二极管D D被截止，等效电路如图被截止，等效电路如图5-5b5-5b所示，这时电感上的电压为：所示，这时电感上的电压为：n n若若V VO O在这期间保持不变，则有：在这期间保持不变，则有：n n显然显然n n即导通过程的电流变化：即导通过程的电流变化：精品文档精品文档开关状态1：Q导通精品文档n n开关状态开关状态2 2：Q Q关断关断n nt=tt=tonon时刻，时刻，Q Q关断，储能电感中的电流不能突变，关断，储能电感中的电流不能突变，于是电感于是电感L L两端产生了与原来电压极性相反的自两端产生了与原来电压极性相反的自感电动势，该电动势使二极管感电动势，该电动势使二极管D D正向偏置，二极正向偏置，二极管管D D导通，储能电感中储存的能量通过二极管导通，储能电感中储存的能量通过二极管D D向向负载供电，二极管负载供电，二极管D D的作用是续流，这就是二极的作用是续流，这就是二极管管D D被称为续流二极管的原因。等效电路如图被称为续流二极管的原因。等效电路如图5-5-5c5c所示，这时电感上的电压为：所示，这时电感上的电压为：n n显然显然n n即关断过程的电流变化：即关断过程的电流变化：精品文档精品文档开关状态2：Q关断精品文档n n显然，只有Q管导通期间（ton内）电感L增加的电流等于Q管截止期间（toff时间内）减少的电流，这样电路才能达到平衡，才能保证储能电感L中一直有能量，才能不断地向负载提供能量和功率。n n考虑到 和 ，可得 n n 因此，Buck电路输出电压平均值与占空比成正比，从0变到1，输出电压从0变到,且输出电压最大值不超过输入电压。精品文档精品文档显然，只有Q管导通期间（ton内）电感L增加的电流等于Q管截n n由于滤波电容上的电压等于输出电压，电容两端由于滤波电容上的电压等于输出电压，电容两端的电压变化量实际上就是输出电压的纹波电压的电压变化量实际上就是输出电压的纹波电压 ，的波形如图的波形如图5-6a5-6a所示。所示。n n因为因为 ，当，当 时，时，C C充电，输出电压充电，输出电压vovo升高；当升高；当 时，时，C C放电，输出电压放电，输出电压vovo下降，假下降，假设负载电流设负载电流i io o的脉动量很小而可以忽略，则的脉动量很小而可以忽略，则 ，即电感的峰峰脉动电流，即电感的峰峰脉动电流 即为电容即为电容C C充放电充放电电流。电流。n n电容充电电荷量即电流曲线与横轴所围的面积电容充电电荷量即电流曲线与横轴所围的面积 精品文档精品文档由于滤波电容上的电压等于输出电压，电容两端的电压变化量实际上 由式可知，降低纹波电压，除与输入输出电压有由式可知，降低纹波电压，除与输入输出电压有关外，增大储能电感关外，增大储能电感L L和滤波电容和滤波电容C C可以起到显著可以起到显著效果，提高电力半导体器件的工作频率也能收到效果，提高电力半导体器件的工作频率也能收到同样的效果。在已知同样的效果。在已知 、VdVd、VoVo和和f f的情况下根的情况下根据上述公式可以确定据上述公式可以确定C C和和L L的值。的值。设负载阻抗设负载阻抗 ，则电感平均电流为：，则电感平均电流为：n n电感电流的最大值：电感电流的最大值：n n n n电感电流的最小值：电感电流的最小值：精品文档精品文档精品文档n n电感电流不能突变，只能近似的线性上升和下降，电感量越大电流的变化越平滑；电感量越小电流的变化越陡峭。当电感量小到一定值时，在t=T时刻，电感L中储藏的能量刚刚释放完毕，这时 ，此时的电感量被称为临界电感，当储能电感L的电感量小于临界电感时，电感中电流就发生断续现象。n nLC即为临界电感值，式中RL为负载电阻。精品文档精品文档电感电流不能突变，只能近似的线性上升和下降，电感量越大电流的n n2 2）电感电流断续工作方式（）电感电流断续工作方式（Discontinuous Discontinuous current modecurrent mode）n n图图5-6b5-6b给出了电感电流断续时的工作波形，它有给出了电感电流断续时的工作波形，它有三种工作状态：三种工作状态：QQ导通，电感电流导通，电感电流i iL L从零增长到从零增长到 ；QQ关断，二极管关断，二极管D D续流，续流，i iL L从从 降到零；降到零；QQ和和D D均截止，在此期间均截止，在此期间i iL L保持为零，负载电流由输保持为零，负载电流由输出滤波电容供电。这三种工作状态对应三种不同出滤波电容供电。这三种工作状态对应三种不同的电路结构，如图的电路结构，如图5-2b5-2b、c c、d d所示。所示。n nQ Q导通期间，电感电流从零开始增长，其增长量为导通期间，电感电流从零开始增长，其增长量为n nQ Q截止后，电感电流从最大值线性下降，在截止后，电感电流从最大值线性下降，在 时刻下降到零，其减小量为：时刻下降到零，其减小量为：精品文档精品文档2）电感电流断续工作方式（Discontinuous curn n电感电流增长量和电感电流减小量在稳态时应相等：n n电感电流连续时，电感电流断续时，。n n变换器输出电流等于电感电流平均值：n n上式表明，电感电流断续时，不仅与占空比有关，而且与负载电流有关。精品文档精品文档电感电流增长量和电感电流减小量在稳态时应相等：精品文档Buck电电路路MATLAB仿仿真真精品文档精品文档Buck电路MATLAB仿真精品文档精品文档精品文档精品文档精品文档精品文档精品文档BUCKBUCKBUCKBUCK变换器设计步骤变换器设计步骤变换器设计步骤变换器设计步骤n n选择续流二极管选择续流二极管D D。续流二极管选用快恢复二极管，其额定工作电流。续流二极管选用快恢复二极管，其额定工作电流和反向耐压必须满足电路要求，并留一定的余量。和反向耐压必须满足电路要求，并留一定的余量。n n选择开关管工作频率。最好工作频率大于选择开关管工作频率。最好工作频率大于20KHZ20KHZ，以避开音频噪声。，以避开音频噪声。工作频率提高可以减小工作频率提高可以减小L L、C C，但开关损耗增大，因此效率减小。，但开关损耗增大，因此效率减小。n n开关管可选方案：开关管可选方案：MOSFETMOSFET、IGBTIGBT、GTRGTR。n n占空比选择。为保证当输入电压发生波动时，输出电压能够稳定，占占空比选择。为保证当输入电压发生波动时，输出电压能够稳定，占空比一般选空比一般选0.70.7左右。左右。n n确定临界电感。确定临界电感。，电感选取一般为临界电感的，电感选取一般为临界电感的1010倍。倍。n n确定电容。电容耐压必须超过额定电压；电容必须能够传送所需的电确定电容。电容耐压必须超过额定电压；电容必须能够传送所需的电流有效值；电流有效值计算：电流波形为三角形，三角形高为流有效值；电流有效值计算：电流波形为三角形，三角形高为 ，底宽为底宽为 ，因此电容电流有效值为：，因此电容电流有效值为：n n根据纹波要求，确定电容容量。根据纹波要求，确定电容容量。n n确定连接导线。确定导线必须计算电流有效值（确定连接导线。确定导线必须计算电流有效值（RMSRMS）,电感电流有效电感电流有效值由下式给出：值由下式给出：n n n n由电流有效值确定导线截面积，由工作频率确定穿透深度（当导线为由电流有效值确定导线截面积，由工作频率确定穿透深度（当导线为圆铜导线时，穿透深度为：圆铜导线时，穿透深度为：），然后确定线径和导线根数。），然后确定线径和导线根数。精品文档精品文档BUCK变换器设计步骤精品文档2 2、BoostBoost电路电路n n Boost电路如图5-7a所示，等效电路如图5-7b所示，工作波形图如图5-8所示。它是一升压斩波电路，同Buck变换器一样，Boost变换器也有电感电流连续和断续两种工作方式，电感电流连续时，存在两种开关状态；电感电流断续时，存在三种开关状态。电路稳定状态下的工作分析如下：精品文档精品文档2、Boost电路精品文档图5-7 Boost电路及不同开关状况下等效电路精品文档精品文档图5-7 Boost电路及不同开关状况下等效电路精品文档图5-8 Boost电路各点工作波形精品文档精品文档图5-8 Boost电路各点工作波形精品文档n n1)1)电感电流连续模式电感电流连续模式CCMCCM（Continuous current modeContinuous current mode）n n开关状态开关状态1 1：Q Q导通导通n nQ Q管导通，输入电压加到储能电感管导通，输入电压加到储能电感L L两端，二极管两端，二极管D D被反向被反向截止，等效电路如图截止，等效电路如图5-7b5-7b所示，流过电感的电流：所示，流过电感的电流：n n开关状态开关状态2 2：Q Q截止截止n nQ Q管截止，二极管正向偏置而导通，等效电路如图管截止，二极管正向偏置而导通，等效电路如图5-7c5-7c所所示电源功率和储存在示电源功率和储存在L L中的能量通过二极管中的能量通过二极管D D输送给负载和输送给负载和滤波电容滤波电容C C。此时流过电感的电流为：。此时流过电感的电流为：精品文档精品文档1)电感电流连续模式CCM（Continuous currn n显然，只有显然，只有Q Q管导通期间（内）储能电感管导通期间（内）储能电感L L增加的增加的电流等于电流等于Q Q管截止期间（内）减少的电流，这样管截止期间（内）减少的电流，这样电路才能达到平衡，才能保证储能电感中一直电路才能达到平衡，才能保证储能电感中一直有能量，才能不断地向负载提供能量和功率。有能量，才能不断地向负载提供能量和功率。解得：解得：n n表明表明Boost DC-DCBoost DC-DC变换器是一个升压电路，当占变换器是一个升压电路，当占空比从零变到空比从零变到1 1时，输出电压从时，输出电压从 变到任意大。变到任意大。n n设负载阻抗设负载阻抗Z=RZ=RL L，从能量守恒定律出发，输出电，从能量守恒定律出发，输出电流流I IO O=V=VO O/R/RL L，电感平均电流即为输入电流，电感平均电流即为输入电流I IL L=I=Ii i：精品文档精品文档显然，只有Q管导通期间（内）储能电感L增加的电流等于Q管截止n n电感电流的最大值：电感电流的最大值：n n电感电流的最小值：电感电流的最小值：n n电感电流不能突变，只能近似的线性上升和下降，电感电流不能突变，只能近似的线性上升和下降，电感量越大电流的变化越平滑；电感量越小电流电感量越大电流的变化越平滑；电感量越小电流的变化越陡峭。当电感量小到一定值时，在的变化越陡峭。当电感量小到一定值时，在t=Tt=T时时刻，电感刻，电感L L中储藏的能量刚刚释放完毕，这时中储藏的能量刚刚释放完毕，这时 ，此时的电感量被称为临界电感，当储能电感，此时的电感量被称为临界电感，当储能电感L L的的电感量小于临界电感时，电感中电流就发生断续电感量小于临界电感时，电感中电流就发生断续现象。现象。精品文档精品文档电感电流的最大值：精品文档n n滤波电容上的电压等于输出电压，电容两端的电滤波电容上的电压等于输出电压，电容两端的电压变化量实际上就是输出电压的纹波电压，压变化量实际上就是输出电压的纹波电压，的的波形如图波形如图5-8a5-8a所示。若忽略负载电流脉动，则在所示。若忽略负载电流脉动，则在导通期间电容泄放电荷量应等于在关断期间电容导通期间电容泄放电荷量应等于在关断期间电容充电电荷量，反映了电容峰充电电荷量，反映了电容峰-峰电压脉动量：峰电压脉动量：n n由此可知，降低纹波电压，除与输出电压有关外，由此可知，降低纹波电压，除与输出电压有关外，增大滤波电容增大滤波电容C C可以起到显著效果，提高电力半导可以起到显著效果，提高电力半导体器件的工作频率也能收到同样的效果。体器件的工作频率也能收到同样的效果。精品文档精品文档滤波电容上的电压等于输出电压，电容两端的电压变化量实际上就是n n2 2）电感电流断续工作方式（）电感电流断续工作方式（Discontinuous Discontinuous current modecurrent mode）n nBoostBoost变换器在电感电流断续时有三种开关状态：变换器在电感电流断续时有三种开关状态：QQ导通，电感电流从零增长到导通，电感电流从零增长到 ；QQ关断，二关断，二极管极管D D续流，电感电流从续流，电感电流从 降到零；降到零；QQ和和D D均截均截止，电感电流保持为零，负载由输出滤波电容供止，电感电流保持为零，负载由输出滤波电容供电。这三种工作状态的等效电路如图电。这三种工作状态的等效电路如图5-7b5-7b、c c、d d所示。所示。n nQ Q导通期间，电感电流从零开始增长，其增长量为：导通期间，电感电流从零开始增长，其增长量为：n nQ Q截止后，电感电流从截止后，电感电流从 线性下降，并在线性下降，并在时刻下降到零，即：时刻下降到零，即：精品文档精品文档2）电感电流断续工作方式（Discontinuous curn n式中 ，电感电流断续时 n n若t=toff时电流恰好等于零，n n两边各自相加除以2得 即临界电感n n电感电流临界连续时的平均值 精品文档精品文档精品文档精品文档精品文档精品文档精品文档精品文档精品文档精品文档精品文档精品文档3 3 3 3、Buck-BoostBuck-BoostBuck-BoostBuck-Boost电路电路电路电路 n n图5-9a 为Buck-Boost电路原理图，它即能够工作在Buck型，又能够工作在Boost型。它的输入电压极性与输出电压极性相反，输入为正时输出为负，在Buck和Boost变换器中存在一个能量从电源流入负载的期间，而在Buck-Boost变换器中，能量首先储存在电感中，然后再由电感向负载释放能量。精品文档精品文档3、Buck-Boost电路 精品文档图5-9 Buck-Boost电路原理图精品文档精品文档图5-9 Buck-Boost电路原理图精品文档n n1 1、电感电流连续模式、电感电流连续模式CCMCCM（Continuous current modeContinuous current mode）n n在电感电流连续条件下，工作于图在电感电流连续条件下，工作于图5-9b5-9b、c c所示的两种状所示的两种状态。态。n n状态状态1 1：Q Q导通导通 n nQ Q管导通，二极管管导通，二极管D D反偏关断，能量从输入电源流入，并存反偏关断，能量从输入电源流入，并存储在电感储在电感L L中，中，L L上的电压上正下负，等于输入电压，此时上的电压上正下负，等于输入电压，此时负载电流由虑波电容负载电流由虑波电容C C提供，等效电路如图提供，等效电路如图5-9b5-9b所示。所示。n n在在t tonon期间内电感电流的增量为：期间内电感电流的增量为：精品文档精品文档1、电感电流连续模式CCM（Continuous curren n状态状态2 2：Q Q关断关断 n n在在t=tt=tonon时刻，时刻，Q Q关断，由于电感中电流不能突变，关断，由于电感中电流不能突变，L L上呈现上呈现的感应电势的感应电势,当该感应电势超过输出电压当该感应电势超过输出电压V VO O时，二极管导时，二极管导通，电感通，电感L L上存储的能量通过上存储的能量通过D D向负载和电容向负载和电容C C释放，补充释放，补充了电容了电容C C在在tonton期间损失的能量，负载电压极性与输入电压期间损失的能量，负载电压极性与输入电压极性相反，等效电路如图极性相反，等效电路如图5-9c5-9c所示，波形如图所示，波形如图5-10a5-10a所示。所示。n n电流按线性规律直线下降，电感电流的减少量为电流按线性规律直线下降，电感电流的减少量为 n n显然，电路平衡时，才能保证储能电感显然，电路平衡时，才能保证储能电感L L中一直有能量，中一直有能量，才能不断地向负载提供能量和功率。因此电流在开通和关才能不断地向负载提供能量和功率。因此电流在开通和关断期间变化相等，得输出电压平均值断期间变化相等，得输出电压平均值n n改变占空比就能获得所需的输出电压。改变占空比就能获得所需的输出电压。精品文档精品文档状态2：Q关断 精品文档n n当当 时，时，；n n当当 时，时，为升压型；，为升压型；n n当当 时，时，为降压型。，为降压型。n n这样，就可以得到高于或低于输入电压的任何输这样，就可以得到高于或低于输入电压的任何输出电压。在要求输出电压一定的情况下，容许输出电压。在要求输出电压一定的情况下，容许输入电压有较大的变化都能够工作。入电压有较大的变化都能够工作。n n假设电路中所有的器件为理想开关，即变换器无假设电路中所有的器件为理想开关，即变换器无功率损耗，输入功率等于输出功率，负载阻抗功率损耗，输入功率等于输出功率，负载阻抗 ：n n由于输入平均电流与电感平均电流有以下关系由于输入平均电流与电感平均电流有以下关系精品文档精品文档当 时，；精品文档n n因此有：n n电感电流的最大值：n n n n电感电流的最小值：n n当电感电流的最小值为零时，电感为临界电感：n n电容上的峰-峰脉动电压求法同Boost电路一样，可得：精品文档精品文档因此有：精品文档n nQ Q管截止时承受的反向电压为：管截止时承受的反向电压为：n nQ Q管开通时，加于二极管管开通时，加于二极管D D上的反向电压为上的反向电压为精品文档精品文档Q管截止时承受的反向电压为：精品文档n n2 2）电感电流断续工作方式（）电感电流断续工作方式（Discontinuous Discontinuous current modecurrent mode）n n图图5-10b5-10b给出了电感电流断续工作时的主要波形，给出了电感电流断续工作时的主要波形，此时此时Book-BoostBook-Boost变换器有三种开关状态，变换器有三种开关状态，QQ导通，导通，电感电流从零增长到最大值；电感电流从零增长到最大值；QQ关断，二极管续关断，二极管续流，电感电流从最大值降到零；流，电感电流从最大值降到零；QQ和和D D均截止，均截止，电感电流保持为零，负载由输出滤波电容供电。电感电流保持为零，负载由输出滤波电容供电。这三种工作状态的等效电路如图这三种工作状态的等效电路如图5-9b5-9b、c c、d d所示。所示。Q Q导通期间，电感电流从零开始增长，其增长量为：导通期间，电感电流从零开始增长，其增长量为：n nQ Q截止后，电感电流线性下降，并在截止后，电感电流线性下降，并在 时刻下时刻下降到零，即：降到零，即：精品文档精品文档2）电感电流断续工作方式（Discontinuous curn n因此有：n n式中 ，电感电流断续时n n若t=toff时电流恰好等于零:n n两边各自相加后除以2得n n电感电流临界连续时的平均值 精品文档精品文档因此有：精品文档BUCK-BOOST电电路路MATLAB仿仿真真精品文档精品文档BUCK-BOOST电路MATLAB仿真精品文档精品文档精品文档精品文档精品文档精品文档精品文档4 4 4 4、CukCukCukCuk电路电路电路电路n n由于由于Buck-BoostBuck-Boost变换器的电感变换器的电感L L在中间，其输入和在中间，其输入和输出电流的脉动都很大。针对这一缺点，美国加输出电流的脉动都很大。针对这一缺点，美国加州理工大学的州理工大学的Slobdan CukSlobdan Cuk教授提出了单管教授提出了单管CukCuk变变换器，该变换器使用了两个电感，一个在输入端，换器，该变换器使用了两个电感，一个在输入端，一个在输出端，从而减小了电流脉动。一个在输出端，从而减小了电流脉动。n nCukCuk变换器的电路形式如图变换器的电路形式如图5-11a5-11a所示，在负载电所示，在负载电流连续的条件下，工作波形图如图流连续的条件下，工作波形图如图5-12a5-12a所示，其所示，其中中L1L1、L2L2为储能电感，为储能电感，Q Q为功率开关管，为功率开关管，D D为续流为续流二极管，二极管，C1C1为传输能量的耦合电容，为传输能量的耦合电容，C2C2为滤波电为滤波电容。容。CukCuk变换器能够提供一个反极性、不隔离的输变换器能够提供一个反极性、不隔离的输出电压，输出电压可高于或低于输入电压，而且出电压，输出电压可高于或低于输入电压，而且其输入电流和输出电流都是连续的、非脉动的，其输入电流和输出电流都是连续的、非脉动的，这些特点使这些特点使CukCuk变换器有着广阔的应用前景。变换器有着广阔的应用前景。精品文档精品文档4、Cuk电路精品文档图5-11 Cuk变换器电路原理图及等效电路精品文档精品文档图5-11 Cuk变换器电路原理图及等效电路精品文档图5-12 CUK变换器工作波形精品文档精品文档图5-12 CUK变换器工作波形精品文档n n模式模式1 1：Q Q导通导通 n nQ Q导通，导通，L L1 1储能，储能，C C1 1电容上的电压使电容上的电压使D D反偏置，电容通过负反偏置，电容通过负载载Z Z和和L2L2传输能量，负载获得反极性电压，传输能量，负载获得反极性电压，L L2 2、C C2 2储能。由储能。由电路可知，在这种电路结构中，电路可知，在这种电路结构中，Q Q管和二极管管和二极管D D是同步工作是同步工作的，的，Q Q导通，导通，D D截止；截止；Q Q截止，截止，D D导通。导通。n nL L1 1的电流增量为：的电流增量为：n n从输出回路来看，在从输出回路来看，在t tonon期间，期间，C C1 1供电，供电，L L2 2储能，若储能，若C C1 1的足的足够大，可忽略够大，可忽略C C1 1上的压降，则上的压降，则L L2 2上的电压为上的电压为 ，L L2 2中中的电流以的电流以 的速率线性上升，在的速率线性上升，在t tonon期间，期间，L L2 2的的电流增量为电流增量为：精品文档精品文档模式1：Q导通 精品文档n n模式2：Q关断 n n在在t toffoff期间，期间，Q Q截止，截止，D D导通，电容导通，电容C1C1被充电，被充电，L L1 1通通过过C C1 1和和D D向向C C1 1充电储能，同时充电储能，同时L2L2向负载释放能量，向负载释放能量，在这种电路结构中，无论在在这种电路结构中，无论在tonton期间还是在期间还是在tofftoff期期间都从输入向负载传输能量，只要电感间都从输入向负载传输能量，只要电感L1L1、L2L2和和电容电容C1C1足够大，输入输出电流基本上是平滑的。足够大，输入输出电流基本上是平滑的。在在t toffoff期间期间C C1 1充电，在充电，在t tonon期间期间C C1 1向负载放电，可见向负载放电，可见C C1 1起着传递能量的作用。起着传递能量的作用。n n在在tofftoff期间，期间，L1L1释放能量，释放能量，L1L1上的压降上的压降 ，L1L1中的电流以中的电流以 的速率线性下降，的速率线性下降，L1L1的电的电流减量为：流减量为：精品文档精品文档模式2：Q关断 精品文档n n从输出回路来看，在toff期间，由于D导通，L2释放能量，则L2上的电压为-VO，L2中的电流以 的速率线性下降，在toff期间，L2的电流减量为：n n在稳定状态下，电感L1电流变化量应相等 n nL2中电流变化量应相等 n n 精品文档精品文档从输出回路来看，在toff期间，由于D导通，L2释放能量，则n n若C1足够大，在导通、截止期间上的电压可认为近似不变（只有很小的顶降），则有 n n假设电路中所有的器件为理想开关，即变换器无功率损耗，输入功率等于输出功率，负载阻抗Z=RL，输入平均电流Ii即为电感L1平均电流IL1精品文档精品文档若C1足够大，在导通、截止期间上的电压可认为近似不变（只有很n n电感L1电流的最大值：n n n n电感L1电流的最小值：n n n n临界电感：n n n n输出平均电流即电感L2的平均电流：n nL2电感电流的最大值：精品文档精品文档电感L1电流的最大值：精品文档n n电感电流的最小值：电感电流的最小值：n n临界电感：临界电感：n n下面来看电容下面来看电容C2C2的峰的峰-峰脉动电压。假设负载电流峰脉动电压。假设负载电流的脉动量很小而可以忽略，即电感的峰的脉动量很小而可以忽略，即电感的峰-峰脉动电峰脉动电流即为电容充放电电流。流即为电容充放电电流。精品文档精品文档电感电流的最小值：精品文档CUK电电路路MATLAB仿仿真真精品文档精品文档CUK电路MATLAB仿真精品文档精品文档精品文档精品文档返回精品文档精品文档返回精品文档5 5.3 3 隔隔离离的的D DC C-D DC C变变换换器器原原理理n n在实际应用中，有许多场合需要输出电压和输入电压隔离，或需要多路输出，此时需要高频变压器来完成这些功能。1、单端DC-DC变换器原理及设计 n n上一节介绍的四种基本类型的变换器加上变压器隔离后，可以引申出各种类型的单端变换器：Buck型引申为Forward型（单端正激）变换器；Boost型引申为Fly-back型（单端反激）变换器。精品文档精品文档5.3 隔离的DC-DC变换器原理在实际应用中，有许多场合n n1 1）Fly-backFly-back（单端反激）变换器原理（单端反激）变换器原理n n Fly-backFly-back（单端反激）变换器原理图如图（单端反激）变换器原理图如图5-135-13所示。在工作过程中，变压器起了储能电感的作所示。在工作过程中，变压器起了储能电感的作用，实际上是耦合电感，用普通导磁材料作铁芯用，实际上是耦合电感，用普通导磁材料作铁芯时，铁芯必须留有气隙，保证在最大负载电流时时，铁芯必须留有气隙，保证在最大负载电流时铁芯不会饱和。铁芯不会饱和。Fly-backFly-back（单端反激）变换器由（单端反激）变换器由于电路简单，所用器件少，适于多路输出场合应于电路简单，所用器件少，适于多路输出场合应用。用。图5-13 Fly-back变换器原理精品文档精品文档1）Fly-back（单端反激）变换器原理图5-13 Fln n和BOOST变换器一样，Fly-back（单端反激）变换器也有电流连续和断续两种工作方式，仅仅是连续和断续的定义不同。BOOST变换器只有一个电感，Fly-back变换器是耦合电感，对原边绕组的自感来讲，它的电流不可能连续，因为功率晶体管断开后电流必然为零，这时必然在次级绕组的自感中引起电流，故对Fly-back变换器来讲，电流连续是指变压器两个绕组的合成安匝在一个开关周期中不为零，与此相反即为电流断续。精品文档精品文档和BOOST变换器一样，Fly-back（单端反激）变换器也n n开关状态开关状态1 1：Q Q导通导通n n等效电路如图等效电路如图5-14a5-14a所示，在所示，在时，功率晶体管的门极被激励时，功率晶体管的门极被激励而导通时，输入电压加到变压而导通时，输入电压加到变压器的初级绕组两端，由于变压器的初级绕组两端，由于变压器对应的极性，次级绕组下正器对应的极性，次级绕组下正上负，二极管截止，次级绕组上负，二极管截止，次级绕组中没有电流流过，负载电流由中没有电流流过，负载电流由滤波电容提供。此时只有变压滤波电容提供。此时只有变压器原边绕组工作，变压器相当器原边绕组工作，变压器相当于一个电感，设绕组于一个电感，设绕组N N1 1的电感的电感量为量为L L1 1，绕组，绕组N N2 2的电感量为的电感量为L L2 2，则管导通期间流过初级绕组，则管导通期间流过初级绕组N N1 1的电流为：的电流为：图5-14 Fly-back变换器不同开关状态的等效电路图精品文档精品文档开关状态1：Q导通图5-14 Fly-back变换器不同开n nt=tt=tonon时，电流时，电流i ip p达到最大值达到最大值i ipmaxpmaxn n n nt=tont=ton时，功率晶体管时，功率晶体管Q Q截止，如图截止，如图2-14b2-14b所示，原所示，原边绕组开路，次级绕组的电压极性上正下负，二边绕组开路，次级绕组的电压极性上正下负，二极管极管D D导通，导通期间储存在变压器中的能量通过导通，导通期间储存在变压器中的能量通过二极管向负载释放，同时向电容充电。此时变压二极管向负载释放，同时向电容充电。此时变压器只有副边绕组工作，器只有副边绕组工作，Q Q管截止期间流过次级绕组管截止期间流过次级绕组的电流为：的电流为：n nt=Tt=T时，副边电流时，副边电流isis达到最小值：达到最小值：精品文档精品文档t=ton时，电流ip达到最大值ipmax精品文档n nt=T时刻，Ismin=0表示导通期间储存的磁场能量刚好释放完毕；Ismin0表示导通期间储存的磁场能量还没有释放完；IsminWW3 3，则去磁时间小于开通时间，则去磁时间小于开通时间n n即开关管的工作占空比即开关管的工作占空比 。n n如果如果W W1 1WWW3 3，Q Q管电压大于管电压大于2 2倍输入电压；倍输入电压；W W1 1WW3，则去磁时间小于开通时间精品文档图5-18 主要波形精品文档精品文档图5-18 主要波形精品文档Ansoft仿仿真真精品文档精品文档Ansoft仿真精品文档精品文档精品文档精品文档n n3)3)3)3)单端变换器的磁复位技术单端变换器的磁复位技术单端变换器的磁复位技术单端变换器的磁复位技术n n使用单端隔离变压器之后，变压器磁芯如何在每个脉动工使用单端隔离变压器之后，变压器磁芯如何在每个脉动工作磁通之后都能恢复到磁通起始值，这是产生的新问题，作磁通之后都能恢复到磁通起始值，这是产生的新问题，称为去磁复位问题。因为线圈通过的是单向脉动激磁电流，称为去磁复位问题。因为线圈通过的是单向脉动激磁电流，如果没有每个周期都作用的去磁环节，剩磁通的累加可能如果没有每个周期都作用的去磁环节，剩磁通的累加可能导致出现饱和。这时开关导通时电流很大；断开时，过电导致出现饱和。这时开关导通时电流很大；断开时，过电压很高，导致开关器件的损坏。压很高，导致开关器件的损坏。n n剩余磁通实质是磁芯中仍残存有能量，如何使此能量转移剩余磁通实质是磁芯中仍残存有能量，如何使此能量转移到别处，就是磁芯复位的任务。具体的磁芯复位线路可以到别处，就是磁芯复位的任务。具体的磁芯复位线路可以分成两种：分成两种：n n一种是把铁芯残存能量自然的转移，在为了复位所加的电一种是把铁芯残存能量自然的转移，在为了复位所加的电子元件上消耗掉，或者把残存能量反馈到输入端或输出端；子元件上消耗掉，或者把残存能量反馈到输入端或输出端；另一种是通过外加能量的方法强迫铁芯的磁状态复位。具另一种是通过外加能量的方法强迫铁芯的磁状态复位。具体使用那种方法，可视功率的大小、所使用的磁芯磁滞特体使用那种方法，可视功率的大小、所使用的磁芯磁滞特性而定。最典型的两种磁芯磁滞特性曲线如图性而定。最典型的两种磁芯磁滞特性曲线如图5-195-19所示。所示。精品文档精品文档3)单端变换器的磁复位技术精品文档图5-19 典型的两种磁芯磁滞特性曲线精品文档精品文档图5-19 典型的两种磁芯磁滞特性曲线精品文档n n在磁场强度在磁场强度H H为零时，磁感应强度的多少是由铁芯材料决为零时，磁感应强度的多少是由铁芯材料决定。图定。图5-19a5-19a的剩余磁感应强度的剩余磁感应强度BrBr比图比图5-19b5-19b小，图小，图5-19a5-19a一般是铁氧体、铁粉磁芯和非晶合金磁芯，图一般是铁氧体、铁粉磁芯和非晶合金磁芯，图5-19b5-19b一般一般为无气隙的晶粒取向镍铁合金铁芯。为无气隙的晶粒取向镍铁合金铁芯。n n对于剩余磁感应强度对于剩余磁感应强度BrBr较小的铁芯，一般使用转移损耗法。较小的铁芯，一般使用转移损耗法。转移损耗法有线路简单、可靠性高的特点。对于剩余磁感转移损耗法有线路简单、可靠性高的特点。对于剩余磁感应强度应强度BrBr较高的铁芯，一般使用强迫复位法。强迫复位法较高的铁芯，一般使用强迫复位法。强迫复位法线路较为复杂。线路较为复杂。n n简单的损耗法磁芯复位电路是由一只稳压管和二极管组成，简单的损耗法磁芯复位电路是由一只稳压管和二极管组成，稳压管和二极管与变压器原边绕组或和变压器副边绕组并稳压管和二极管与变压器原边绕组或和变压器副边绕组并联，磁芯中残存能量由于稳压管反向击穿导通而损耗，它联，磁芯中残存能量由于稳压管反向击穿导通而损耗，它具有两种功能，既可以限制功率开关管过电压又可以消除具有两种功能，既可以限制功率开关管过电压又可以消除磁芯残存能量。在实际应用中由于变压器从原边到副边的磁芯残存能量。在实际应用中由于变压器从原边到副边的漏电感（寄生电感）存在，这个电感中也有存储的能量，漏电感（寄生电感）存在，这个电感中也有存储的能量，因此一般把稳压管和二极管与变压器原边绕组并联连结。因此一般把稳压管和二极管与变压器原边绕组并联连结。这种电路只适用于小功率变换器中，如图这种电路只适用于小功率变换器中，如图5-205-20所示。所示。精品文档精品文档在磁场强度H为零时，磁感应强度的多少是由铁芯材料决定。图5-图5-20将变压器铁芯的储能反馈到变换器的输出端 精品文档精品文档图5-20将变压器铁芯的储能反馈到变换器的输出端 精品文档n n大功率去磁电路一般使用将变压器铁芯的储能反大功率去磁电路一般使用将变压器铁芯的储能反馈到输入电源或变换器输出端。使用这种复位方馈到输入电源或变换器输出端。使用这种复位方法，变压器铁芯的储能几乎没有损耗（或者说损法，变压器铁芯的储能几乎没有损耗（或者说损耗较小）变换器变换效率是很高的。耗较小）变换器变换效率是很高的。n n图图5-175-17的复位绕组就是将变压器铁芯的储能反馈的复位绕组就是将变压器铁芯的储能反馈到输入电源，图到输入电源，图5-205-20将变压器铁芯的储能反馈到将变压器铁芯的储能反馈到变换器的输出端。在图变换器的输出端。在图5-205-20中，稳压管接在变压中，稳压管接在变压器的原边，如上所述，它有两种功能，由于消耗器的原边，如上所述，它有两种功能，由于消耗在稳压管的能量很小，在这里主要是起箝位作用，在稳压管的能量很小，在这里主要是起箝位作用，铁芯的储能通过连结在变压器的副边二极管铁芯的储