二讲一基本开关型变换器主电路拓扑论述汇编

1、 开关电源开关电源 n基本构成方框图 整整 流流滤滤 波波 开关电源控制器开关电源控制器 滤滤 波波 整流及整流及 滤波滤波 AC/DC 输入回路输入回路 功率开功率开 关器件关器件 高频高频 变压器变压器 DC/DC 功率变换器功率变换器 Uout Uin DC/DC变换器变换器 直流/直流变换器拓扑 1 直流/直流降压变换器（Buck DC/DC 变换器） 2 直流/直流升压变换器（Boost DC/DC 变换器） 3 直流升压降压变换器（Boost-Buck变换器或Cuk变换器） *4 两象限、四象限直流/直流变换器 *5 多相、多重直流/直流变换器 6 带隔离变压器的直流/直流变换器

2、小结 1.1 降压变换器（Buck DC/DC 变换器） 1.1.1 电路结构和调压、降压原理 1.1.2 电感电流连续时工作特性 1.1.3 电感电流断流时工作特性 降压变换如何实现？降压变换如何实现？ 1.1.1 电路结构和调压、降压原理 1.理想化处理 2.调压原理分析 3.控制方式分类 4.输出电压LC滤波分析 1. 理想的电力电子电路理想的电力电子电路 为获得开关型变换器的基本工作特性，简化分析，假定的 理想条件是： （1）开关管T和二极管D从导通变为阻断，或从阻断变为导通的 过渡过程时间均为零；（暂不考虑开关频率） （2）开关器件的通态电阻为零，电压降为零。断态电阻为无限 大，漏电

3、流为零；（暂不考虑功耗） （3）电路中的电感和电容均为无损耗的理想储能元件； （4）线路阻抗为零。电源输出到变换器的功率等于变换器的输 出功率。（无功耗、无谐波干扰） OOSS IVIV 2. 调压、降压原理调压、降压原理 n对开关管T加驱动信号VG ,开关周期为T VG0, T管导通 SLDSEO iiiV;0 LtUULtUUdi ttdtidi dt di LUUU dt di LU UUU onOSOSl onll l OSL l L OL /)(/)( ; S 1 11 1 1 开关管开关管T导通导通 VG=0, T管阻断 LD EO ii 0 TDTTT onoff )( 1 of

4、f OOO l lL l OL t L U t L U dt L U i idi dt di LUU 2 22 2 - 21ll ii on OS off O t L UU t L U 在稳定稳定输出工作期间： 开开 关关 管管 T 截截 止止 DM U U UDU tt t U S O SS offon on O 或 计算法二：输出电压谐波计算法计算法二：输出电压谐波计算法 1 0 n nEO tnaCt)cos()( 2 2 1 2 1 2 1 2 0 sSSEOoO DVDVVtdvCV )( 变压比为变压比为M 2/ SSSO VDVMVV n次谐波幅值次谐波幅值 2 2 2 )sin

5、()sin( nD n V n n V a SS n 输出电压的直流平均值输出电压的直流平均值 2. 变压比、导通比的定义 TTD on / 0 / S MVV DTTonTDToff)( 1 变压比与电路结构和导通比变压比与电路结构和导通比D都有关系，它们之间都有关系，它们之间 的关系可用多种方法推导。的关系可用多种方法推导。 导通比（占空比）：导通比（占空比）： 变压比变压比 ： 计算法三：用波形积分的方法求变压比 vEO的直流分量V0为: 用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量 周期性函数可以分解为无限项三角级数傅立叶级数： 1 0 n nn tnbtnaC

6、tF)sin()cos()( 2 0 2 00 0 2 111 )()()()()(tdtFtdtF T dttF T C T )()cos()( 1 )cos()( 2 2 00 tdtntFdttntF T a T n )()sin()( 1 )sin()( 2 2 00 tdtntFdttntF T b T n 用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量 周期性函数可以分解为无限项三角级数傅立叶级数： 1 0 n nn tnbtnaCtF)sin()cos()( F(t)也可表达为： 1 0 )cos()( n nn tnCCtF 2 00 0 2 11 )()

7、()(tdtFdttF T C T 22 nnn baC 3.3.控制方式控制方式 改变开关管改变开关管T的导通时间，即改变导通占空比的导通时间，即改变导通占空比D ， 即可改变变压比即可改变变压比M, 调节或控制输出电压调节或控制输出电压VO。 (1) 脉冲宽度调制方式脉冲宽度调制方式 PWM (Pulse Width Modulation) 开关频率不变，改变输出脉冲电压的宽度开关频率不变，改变输出脉冲电压的宽度 (2) 脉冲频率调制方式脉冲频率调制方式 PFM（Pulse Frequency Modulation） 脉宽脉宽 不变，改变开关频率或周期。不变，改变开关频率或周期。 为什么实

8、际应用中广泛为什么实际应用中广泛 采用采用PWM方式？方式？ 问题思考 2 SS on SO UU T t DUU 4.4.输出电压输出电压LC滤波滤波 滤波电感的作用：滤波电感的作用： 对交流高频电压电流呈高阻抗，对交流高频电压电流呈高阻抗， 对直流畅通无阻对直流畅通无阻 滤波电容的作用：滤波电容的作用： 对直流电流阻抗为无穷大，对对直流电流阻抗为无穷大，对 交流电流阻抗很小。交流电流阻抗很小。 直流输出电压中含有各次谐波电压，在直流输出电压中含有各次谐波电压，在Buck开关电路的输出开关电路的输出 端与负载之间加接一个端与负载之间加接一个LC滤波电路，减少负载上的谐波电压。滤波电路，减少负

9、载上的谐波电压。 如何选取如何选取LC？ 问题思考 滤波器电抗对谐波的阻抗为：滤波器电抗对谐波的阻抗为： L 滤波器电容对谐波的阻抗为：滤波器电容对谐波的阻抗为：1/C 如果：如果：CL1 q各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。 q直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。 滤波 电容电容C在一个开关周期内的充、放电电荷为：在一个开关周期内的充、放电电荷为： f iTi Q LsL 8222 1 2 0 min0max00 8 )1 ( LCf VD C Q VVV 输出电压中纹波量输出电压中纹波量 1.1.2 电感电流连续时工作特

10、性电感电流连续时工作特性 BuckBuck变换器有两种可能的运行状况：变换器有两种可能的运行状况： （1 1）电感电流连续模式）电感电流连续模式 CCM(Continuous Current Mode)CCM(Continuous Current Mode)： 指电感电流在整个开关周期中都不为零；指电感电流在整个开关周期中都不为零； （2 2）电感电流断流模式）电感电流断流模式 DCMDCM（Discontinuous Current ModeDiscontinuous Current Mode）：）： 指在开关管指在开关管T T阻断期间内经二极管续流的电感电流已降为零。阻断期间内经二极管续流

11、的电感电流已降为零。 二者的临界：二者的临界： 称为电感电流临界连续状态：称为电感电流临界连续状态： 指开关管阻断期结束时，电感电流刚好降为零。指开关管阻断期结束时，电感电流刚好降为零。 1.1.电流连续时只有两种开关状态电流连续时只有两种开关状态 OSLS VVdtdiLdtdiL D Lf VV TD L VV T L VV i OSOS on OS L 11)()(D Lf V TD L V T L V i OO off O L OL VdtdiL (2) 开关状态开关状态2：T管阻断管阻断, D管导通管导通 (1) 开关状态开关状态1：T管导通管导通,D管阻断管阻断 电流连续模式跟哪些

12、因素有关电流连续模式跟哪些因素有关? 电感电压与电感电流方向为非 关联，所以有“-”负号 问题思考 1.1.3 电感电流断流时工作特性电感电流断流时工作特性 1. 三种开关状态和变压比 2. 临界负载电流 3. BUCK变换器输出电压外特性 l存在第三种状态存在第三种状态 :T、D都截止。都截止。 l变压比变压比 1. 三种开关状态和变压比三种开关状态和变压比 开关管T开通时 ）（ 1 1 11 1 1 LtUULtUUdi ttdtidi dt di LUUU dt di LU UUU onOSOSl onll l OSL l L OL /)(/)( ; S 开关管开关管T关短，续流管关短，

13、续流管D导通导通 12 22 2 - off OOO l lL l OL t L U t L U dt L U i idi dt di LUU 21ll ii on OS off O t L UU t L U 1 21 1 21 1 1 DD D M U U U DD D U tt t U S O SS offon on O 或 电路稳定输出时 一般情况下，一般情况下，D2不如不如D1表示方便，用表示方便，用D1表示表示M的推导如下：的推导如下： L O OS on L offon Moffon i O R U TTD L UU TDD Tt L U tt TItt T S I l 121 1

14、 1 2 1 2 1 2 1 面积 L OOS R U D L UU TDD 121 2 1 不连续续流情况下 联立解得： 又： 令 1 8 11 2 1 8 1 2 2 2 1 2 1 2 1 1 2 21 1 21 1 1 121 D M D D D DD D M DD D D M TR L R U D L UU TDD L L L L L L OOS 参教材P8图1-5， 关系曲线图与M 连续续流情况下 不连续续流情况下 21 1 2 1 1 8 11 2 DD D M D M L 断续和连续临界点的确定 ，续流断续 ，续流连续 临界条件 20 20 20 2 1 2 1 2 1 l l

15、 l iI iI iI , L L L O offl TR L D R U TD L U t L U iI 2 2 222 1 2 2 0 1 0 20 整理得： 时，续流是连续的当 临界电感 C O O O Oon C O Oon O O O OL C LL D fP U P UtT L P UtT U U I UTDTRD L 1 22 2 22 1 22 222 T i c dti C UUC U U UL TU CC l cCO i O O O 8 11 1 8 1 2 0 上的纹波电压：电容 电容选择： 2)( LMINLMAXO III ，选 C O O O Oon C LL D

16、fP U P UtT L 1 22 1 22 D选择：选择： OMAXF IMAXDR II UU 开关管开关管T选择：选择： IC UU62. Buck变换电路的特点 n优点：优点： n1、连续续流工作时，都有电流对负载补能，因此，输出、连续续流工作时，都有电流对负载补能，因此，输出 电压脉动小，带负载能力强；电压脉动小，带负载能力强； n2、续流二极管的反偏电压等于输入电压，对开关管反向、续流二极管的反偏电压等于输入电压，对开关管反向 耐压和续流管耐压要求不高；耐压和续流管耐压要求不高； n缺点：缺点： n1、Ii工作是不连续的，对电源不利，对滤波电路有要求；工作是不连续的，对电源不利，对

17、滤波电路有要求； n2、开关管、开关管T与负载串接，如与负载串接，如T击穿，负载电压加大，存在击穿，负载电压加大，存在 安全隐患，需要保护电路；安全隐患，需要保护电路； 3. Buck变换器输出电压外特性变换器输出电压外特性 变换器的变压比（或输出电压） 与占空比和负载电流的函数关系 称为外特性。 电感电流连续时，变压比等于占 空比，输出电压与负载电流无关。 控制特性是线性的。 在电感电流断流的情况下，控制 特性是非线性的。 外特性从线形到非线形的转折点 由临界负载电流确定。 设Buck DC/DC变换器如下图。电源电压Vs=147 220V，额定负载电流11A，最小负载电流1.1A，开 关频

18、率20KHz。要求输出电压Vo=110V；纹波小于 1%。要求最小负载时电感电流不断流。计算输出滤 波电感L和电容C，并选取开关管T和二极管D。 例1 2. 直流-直流升压变换器（Boost变换器） 2.1 电路结构和升压原理电路结构和升压原理 2.2 电感电流连续时工作特性电感电流连续时工作特性 2.3 电感电流断流时工作特性电感电流断流时工作特性 2.2.1 电路结构和升压原理 2.2.2 电流连续时的工作特性 q两种开关状态 q变压比和电压、电流基本关系 1.两种开关状态 Son DTT lVG0, T管导通管导通,D阻断阻断 1.两种开关状态 SonSoff TDTTT)1 ( lVG

19、=0, T管阻断管阻断 TT D on TT D off )( 1 LS L didtV S Ls V iD T L LSo L didtVV 0 (1) S Ls VV iD T L 0 /1/(1) S MVVD 2. 变压比和电压、电流基本关系 l理想理想Boost变换器的变压比变换器的变压比 T导通导通,D截止截止 T 阻断，阻断，D导通导通 2. 变压比和电压、电流基本关系 假定负载电流平均值为IO 00 1 TS D IIII D 输入电流和电感电流的电流平均值均为：输入电流和电感电流的电流平均值均为： 通过二极管的电流通过二极管的电流ID等于负载电流等于负载电流IO （电容的平均

20、电流为零）（电容的平均电流为零） 通过开关管通过开关管T的电流平均值为：的电流平均值为： l工作电流的平均值表达式工作电流的平均值表达式 0 1 1 I DU U III S O OLS 2. 变压比和电压、电流基本关系 电感电流的脉动量为： 00 (1)(1) S LLLS S V IIIDT L VD DTD DV LLf maxmaxmax 00 1 2 (1) 12 TDLSL IIIIi ID DV DLf 通过开关管通过开关管T和和D的电流最大值与电感电流的最大值相等：的电流最大值与电感电流的最大值相等： l工作电流的其他表达式工作电流的其他表达式 000min0max00 11

21、I Cf D DTI C TonI CC Q VVV s 输出电压脉动等于开关管输出电压脉动等于开关管T导通期间电容导通期间电容C的电压变化量，的电压变化量， V0可近似地由下式确定可近似地由下式确定 l理想理想Boost变换器输出电压纹波的大小变换器输出电压纹波的大小 T T和和DD所承受的最大电压理想情况下均与输出电压相等。所承受的最大电压理想情况下均与输出电压相等。 l理想理想Boost变换器开关器件所承受的最大电压变换器开关器件所承受的最大电压 2.3 电感电流断流时工作特性 l三种开关状态和变压比三种开关状态和变压比 l临界负载电流临界负载电流 lBoost变换器输出电压外特性变换器输出电压外特性 1.三种开关状态与变压比 lVG0, T管导通管导通,D截止截止 s s LL DT L V Ii max 1.三种开关状态与变压比 lVG=0, T管阻断，管阻断，D导通导通 soff s so off so L TTD TD L VV T L VV i / 1 1 1.三种开关状态与变压比 lVG=0, T管