32直流-直流降压变换器(BUCK变换器)

GPES,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,3.1,概述,3.2,直流,-,直流降压变换器（,BUCK,变换器）,3.3,直流,-,直流升压变换器（,BOOST,变换器）,3.4,直流降压,-,升压变换器（,BUCK-BOOST,变换器）,3.5,直流升压,-,降压变换器（,CUK,变换器）,3.6,两象限、四象限直流,-,直流变换器,3.7,单端正激变换器和单端反激变换器,1直流直流变换器,2,一、基本概念,DC-DC变换器定义,:只对直流参数进行变换的电路,3.1,概述,3,一般结构：,完成的功能：,直流电幅值变换,直流电极性变换,3.1 概述(续1),4,二.理想直流变换器应具备的性能,1.输入/输出端的电压均为平滑直流,无交流谐波分量,2.输出阻抗为零,3.1 概述（续2）,5,3.快速动态响应,抑制干扰的能力强,4.高效率/小型化,3.1 概述（续3）,6,3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）,一、,BUCK,电路拓扑,T,是全控元件,(GTR,GTO,MOSFET,IGBT)，,当 时，,T,导通。,D,：续流二极管。,L,和,C,组成,LPF。,7,二、工作原理,当 时，控制信号使得,T,导通，,D,截止，向,L,充磁,向,C,充电；,当 时，,T,截止，,D,续流，,U,0,靠,C,放电和,L,中电流下降维持。,3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续1）,8,三、主要波形,两种理解方式：,能量存储/电气工程,滤波功能/电信工程,3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续2）,9,四、假设及参数计算,1.T，D,均为理想器件,2.L,较大，使得在一个周期内电流连续且无内阻,3.,直流输出电压,U,0,为恒定,4.,整个电路无功耗,5.,电路已达稳态,3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续3）,10,(一)、晶体管,T,导通工作模式,（0tt,1,=KT）,(,二,),、二极管,D,导通工作模式,（t,1,tT）,由（一）、（二）得：,3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续4）,11,若假定,Buck,电路为无损的，则有,即,开关周期,T,可表示为,可求得 的表达为,或,3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续5）,12,因此，电容上电压峰-峰脉动,值为,得,或,3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续6）,13,五、,分析方法小结,1、定性画出关键波形；,2、由于LC网路的输入是方波，采用分时区线性化处理,3、理想化处理：器件、电源和负载；,4、在DC/DC变换器中，降阶处理：假定电容上的端压为恒定值，将二阶微分方程降为一阶微分方程,5、稳态条件下的的两个重要定律：,电感伏秒平衡：,电容电荷平衡：,3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续7）,14,问题1： BUCK电路中，L、C 对电感电流i,L,脉动大小和输出电容电压u,c,的脉动大小分别有何影响？,L, I ,L, ，C U,C,f, I ，U,C,I ，U,C,确定，则：,f, C ，L ,3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续8）,15,六、电流断续时的状况,1、,求,Av,根据伏秒平衡律：,2、,求,Dp,平均电流：,3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续9）,16,解得：,3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续10）,17,七,、典型应用,3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续11）,18,作业,1、,比较,CCM,和,DCM,工作时，电压增益和电流增益公式，电感上电压的差别。,2、,试述,CCM,和,DCM,工作的优缺点。,3.2直流-直流降压变换器（BUCK变换器）（续12）,19,3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）,一、BOOST电路拓扑,20,3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续1）,二、工作原理,当,21,3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续2）,22,三、主要波形,3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续3）,23,四、参数计算,（一）、晶体管,T,导通工作模式,（0tt,1,=KT）,（二）、二极管,D,导通工作模式,（,t,1,t,T,）,由,（,一）、（二）可得：,将 代入上式，则求得,3.3直流-直流升压变换器（BOOST变换器）（续4）,24,说明:,1),K,0,1，,所以,U,0,U,d,，,是升压电路。,2),可以调压。,两种模式：,能量的传输,模式,1：0tKT，T/on，D/off，,电流i,L,升高，等效电路：,模式,2：KTt0, I,d,0,第二象限：,U,d,0, I,d,0,第三象限：,U,d,0, I,d,0,第四象限：,U,d,0,I,d,U,d,46,直流电机电枢绕组的反电势,E,a,与其励磁磁通和转速,N,的乘积成正比：,电枢电压平衡方程为：,转速,高低由电枢电压的,大小,决定，转速方向由电枢电压的,方向,决定。,电机的转矩方程为：,转,矩,大小由电枢电流的,大小,决定，转矩方向由电枢电流的,方向,决定。,转矩方向与电机转向相同为电动状态，反之为制动状态,直流电动机的特性,3.6 两象限、四象限直流直流变换器（续1）,47,直流电机的四象限运行,3.6 两象限、四象限直流直流变换器（续2）,48,1、两象限直流直流变换器,U,AB,始终大于零,工作状态：,i,AB,可正可负,电机转向始终为,正,电磁转矩可正可负,电动,制动,3.6 两象限、四象限直流直流变换器（续3）,49,工作模式：,降压（将Vd的电压降低后送到负载）,输出电压方向：,正向,输出电压大小：,输出电流方向：,正向,电机运行于,正向电动,状态，能量由输入直流电源供向负载。,(b)降压变换电路,第一象限工作,3.6 两象限、四象限直流直流变换器（续4）,50,工作模式：,输出电压方向：,正向,输出电压大小：,输出电流方向：,负向,电机运行于,正向制动,状态，能量由负载向直流输入电源回馈。,升压（将负载的电压升高后向Vd回馈电能）,(c)升压变换电路,第二象限工作,3.6 两象限、四象限直流直流变换器（续5）,51,2、 四象限直流直流变换器,3.6 两象限、四象限直流直流变换器（续6）,52,第三、四象限运行等效电路,3.6 两象限、四象限直流直流变换器（续7）,53,工作模式：,降压（将Vd的电压降低后送到负载）,输出电压方向：,反向（V,AB,0）,输出电压大小：,输出电流方向：,反向,电机运行于,反向电动,状态，能量由直流输入电源供向负载。,第三象限工作,3.6 两象限、四象限直流直流变换器（续8）,54,工作模式：,输出电压方向：,正向,输出电压大小：,输出电流方向：,反向,电机运行于反向制动状态，能量由负载供向直流输入电源。,升压（将负载的电压升高后向Vd回馈电能）,第四象限工作,3.6 两象限、四象限直流直流变换器（续9）,55,3.7单端正激变换器和单端反激变换器,3.7.1 单端正激变换器,3.7.2 单端反激变换器,56,1、单端正激变换器,单端变换器,变压器工作在B-H平面的第一象限；,正激变换器,在T导通时，变压器向负载传递能量,。,正激变换器特点,输出功率50-200W较大。,(b) 单端正激DC/DC变换器,3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续1）,57,N,2,、D,2,导电,N,3,、D,1,、D,3,截止,T导通：,Ton=DTs期间,R,3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续2）,58,D2截止；,i,3,将 N3感应电势经D3反送至电源，,i,3,减小到零;,i,L,经D1续流。,T截止：,T,off,= (1-D)T,s,期间,s,V,3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续3）,59,输出电压,U,2,与,U,d,的关系,等效电路(N,2,向右看相当于BUCK电路),改变,D,可以改变,U,0,3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续4）,60,工作波形,3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续5）,61,开关管两端的最大电压,T两端的反压为：,3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续6）,62,通常取,N,3,=N,1,，,故工作中的最大占空比,D,max,=0.5,因此T的反压,最大运行导通比,3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续7）,63,双管正激变换器,T1和T2具有相同的占空比；,T1、T2导通时，D1、D2反偏截止，电源通过变压器向负载输送能量,T1、T2截止时，,i,L,经D续流，变压器激磁电流经D1、D2返回电源，起去磁作用。,不需要专门的去磁绕组;,多一个开关管；开关管上承受的电压仅为Ud，小于单管变换器,。,双管正激变换器,3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续8）,64,2、单端反激变换器,反激变换器,开关管导通时电源将电能转为磁能储存在电感（变压器）中，当开关管关断时再将磁能变为电能传送到负载,单端变换器,变压器工作在B-H平面的第一象限；,反激变换器特点,输出功率较小，一般小于100W。,单端反激变换器,3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续9）,65,一、拓扑推演-从BUCK-BOOST到Flyback变换器,BUCK-BOOST变换器,电感用两个并联线圈代替,3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续10）,66,工作原理,当,T,导通,原边,N1,电感上电压的极,上正下负,副边,N2,电压的极为,上负下正,因此,二极管,D1,截止,所以把能量存储在原边,N1,上,负载 靠电容,C,放电维持。,当,T,截止,原边电感上的电压为,上负下正,副边电压为,上正下负,D1,导通,把存储在副边的能量传给电容和负载。,工作区域,3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续11）,67,2.,两种导电模式,连续导电方式: 在T截止期间, 初级的储能 被部分释放.,不连续导电方式: 在T截止期间, 初级的储能被全部释放.,3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续12）,68,波形分析和计算,有图b中u,2,波形可知,根据伏秒平衡原理:,nU,d,DT=U,o,D,o,T ，n=N2/N1,得,在换流瞬间,原副边电流满足下面关系:,T的耐压：,3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续13）,69,R1、C1、D1 辅助网络的作用：在BG截止时, D1导通, C1 并联在ce之间,使ce间电压的上升速度减慢, 且减少峰值电压和损耗；在BG导通时, C1 通过 R1 向开关管ce极放电，减少了BG导通时的峰值电流和损耗.,辅助网络的功能,寄生参数及作用：C,S,Ls,C,S,: 几百PF， 它上的能量 消耗在开关BG上 ，增加了开通损耗,Ls,:,BG关断时，这个能量将变为C,S,上的电能，是BG的开关应力增加,解决的方法：增加C,S,的数值,3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续14）,70,二、电路的外特性,1、与Boost/Buck-boost电路相同，Flyback的电路不能开路运行，,2、电路的外特性，,在CCM区,相当于一个恒压源;,在DCM区,相当于一个恒流源;,3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续15）,71,小结：各种DC/DC变换器的比较,3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续16）,72,3.7单端正激变换器和单端反激变换器（续17）,73,课件播放完毕,74,