BoostBuck电路知识学习

1、2021/3/231 1、定义定义: 利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电压利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电压 的大小的大小,将直流电能转换为另一固定电压或可调电压的直流将直流电能转换为另一固定电压或可调电压的直流 电能的电路称为直流变换电路。电能的电路称为直流变换电路。(开关型开关型DC/DC变换电路变换电路 /斩波器斩波器)。 2、分类、分类: 按稳压控制方式按稳压控制方式:脉冲宽度调制脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制、脉冲频率调制、 (PFM)直流变换电路。直流变换电路。 按变换器的功能按变换器的功能:降压变换电路降压变换电路(Buck)、升压变换电路、升压变

2、换电路 (Boost)、升降压变换电路、升降压变换电路(Buck-Boost)、库克变换电、库克变换电 路路(Cuk)和全桥直流变换电路。和全桥直流变换电路。 3、隔离方式、隔离方式: 在直流开关稳压电源中直流变换电路常常采用变压器实现在直流开关稳压电源中直流变换电路常常采用变压器实现 电隔离电隔离,而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离。而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离。 2021/3/232 3.1 3.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理 v工作原理工作原理: :图中图中S S是可控开关是可控开关,R,R为纯阻性负载。为纯阻性负载。 在时间内当开关在时间内当开关S

3、S接通时接通时, ,电流经负载电阻电流经负载电阻R R流流 过过, , R R两端就有电压两端就有电压; ;在时间内开关在时间内开关T T断开时断开时, , R R 中电流为零中电流为零, ,电压也变为零。电压也变为零。 电路中开关的占空比电路中开关的占空比 T TS S为开关为开关T T的工作周期的工作周期, ,t ton on为导通时间。 为导通时间。 由波形图可得到由波形图可得到输出电压平均值输出电压平均值为为 若认为开关若认为开关T T无损耗无损耗, ,则则输入功率输入功率为为 式（式（3.1.23.1.2）中）中U Ud d为输入直流电压。为输入直流电压。 输出电压平均值的改变输出电

4、压平均值的改变: :因为因为D D是是0 01 1之间变化的之间变化的 系数系数, ,因此在因此在D D的变化范围内输出电压的变化范围内输出电压U UO O总是小于输总是小于输 入电压入电压U Ud d, ,改变改变D D值就可以改变其大小。值就可以改变其大小。 占空比的改变占空比的改变: :通过改变通过改变t ton on 或 或T TS S来实现。来实现。 l图图3.1.1 基本的斩波器电路基本的斩波器电路 l 及其负载波形及其负载波形 S on T t D dd S on T dO DUU T t dtuU S 0（3.1. 2） （3.1.1） （ 3.1.3） S DT d S R

5、U Ddtiu T P 0 2 00 1 2021/3/233 3.1 3.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理 直流变换电路的常用工作方式主要有两种直流变换电路的常用工作方式主要有两种: : 脉冲频率调制脉冲频率调制(PFM)(PFM)工作方式工作方式: : 即维持不变即维持不变, ,改变改变T TS S。在这种调压方式中。在这种调压方式中, , 由于输出电压波形的周期是变化的由于输出电压波形的周期是变化的, ,因此输出谐因此输出谐 波的频率也是变化的波的频率也是变化的, ,这使得滤波器的设计比较这使得滤波器的设计比较 困难困难, ,输出谐波干扰严重输出谐波干扰严重, ,一般很少

6、采用。一般很少采用。 脉宽调制脉宽调制(PWM)(PWM)工作方式工作方式: : 即维持即维持T TS S不变不变, ,改变。在这种调压方式中改变。在这种调压方式中, , 输出电压波形的周期是不变的输出电压波形的周期是不变的, ,因此输出谐波的因此输出谐波的 频率也不变频率也不变, ,这使得滤波器的设计容易。这使得滤波器的设计容易。 2021/3/234 3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路 原理图原理图 续流二极续流二极 管管 全控型电力器全控型电力器 件件 输入输入 直流直流 电压电压 滤波电滤波电 感感 滤波电容滤波电容 负负 载载 2021/3/235 3.2 3.2 降压变换电路

7、降压变换电路 导通期间（导通期间（t ton on ） ）: :电力开关器件电力开关器件 导通导通, ,电感蓄能电感蓄能, ,二极管二极管D D反偏。反偏。 等效电路如图等效电路如图3.2.1 (b)3.2.1 (b)所示所示 ; ; 关断期间（关断期间（t toff off） ）: :电力开关器件电力开关器件 断开断开, ,电感释能电感释能, ,二极管二极管D D导通续流。导通续流。 等效电路如等效电路如3.2.1(c)3.2.1(c)所示所示; ; 由波形图由波形图3.2.1(b)3.2.1(b)可以计算出可以计算出输输 出电压的平均值出电压的平均值为为: : 图图3.2.1 降压电路及其

8、波形图降压电路及其波形图 ( (3.2.3) ) dd O d O I D I U U I 1 )0( 1 )( 1 00 00 S on onS T t t d S T S dtdtu T dttu T U dd S on DUU T t 忽略器件功率损耗忽略器件功率损耗, ,即即 输入输出电流关系输入输出电流关系为为: : 2021/3/236 3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路 v电感中的电流电感中的电流i iL L是否连续是否连续, ,取决于开关频率、滤波电感取决于开关频率、滤波电感L L和电容和电容C C的数值。的数值。 图图3.2.2 电感电流波形图电感电流波形图 v Buc

9、k变换器的可能运行情况变换器的可能运行情况: : 电感电流连续模式电感电流连续模式 电感电流临界电感电流临界 连续状态连续状态 电感电流断流模式电感电流断流模式 2021/3/237 3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路 (3.2.4) dt di Lu L L on L on Od t I L t II LUU 12 Od L on UU LI t )( l1 1）电感电流）电感电流i iL L连续模式连续模式 : : 在在t ton on期间 期间: :电感上的电压为电感上的电压为 由于电感由于电感L L和电容和电容C C无损耗无损耗, ,因此因此i iL L从从I I1 1线性增长至

10、线性增长至I I2 2, ,上式可上式可 以写成以写成 式中式中I IL L=I=I2 2I I1 1为电感上电流的变化量为电感上电流的变化量,U,UO O为输出电压的平均值。为输出电压的平均值。 2021/3/238 3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路 (3.2.5) (3.2.6) (3.2.7) (3.2.8) (3.2.9) off L O t I LU O L off U I Lt ） OdO dL offonS UUU LUI tt f T ( 1 fL DDU fLU UUU I d d OdO L )1 ()( 2 12 0 II I )1 ( 2 01 DD L TU

11、II Sd l1 1）电感电流）电感电流i iL L连续模式连续模式 : : 在在t toff off期间 期间: :假设电感中的电流假设电感中的电流i iL L从从I I2 2线性下降到线性下降到I I1 1, ,则有则有 l根据式根据式(3.2.4)(3.2.4)、(3.2.5)(3.2.5)可求出开关周期可求出开关周期S S为为 l 上式中上式中IL为流过电感电流的峰峰值为流过电感电流的峰峰值,最大为最大为I2,最小为最小为I1。电感。电感 电流一周期内的平均值与负载电流电流一周期内的平均值与负载电流IO相等相等,即将式即将式(3.2.7)、(3.2.8)同时同时 代入关系式代入关系式I

12、L= I2I1可得可得 2021/3/239 3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路 2 2）电感电流）电感电流i iL L临界连续状态临界连续状态: : 变换电路工作在临界连续状态时变换电路工作在临界连续状态时, ,即有即有I I1 1=0=0, ,由由 可得维持电流临界连续的电感值可得维持电流临界连续的电感值L L0 0为为: : 即电感电流临界连续时的负载电流平均值为即电感电流临界连续时的负载电流平均值为 : : 式中式中I Iok ok为电感电流临界连续时的负载电流平均值。 为电感电流临界连续时的负载电流平均值。 总结总结: :临界负载电流临界负载电流IokIok与输入电压与输入电压

13、UdUd、电感、电感L L、开关频率、开关频率f f以及开关以及开关 管管T T的占空比的占空比D D都有关。都有关。 当实际负载电流当实际负载电流I Io o I Iok ok时 时, ,电感电流连续电感电流连续; ; 当实际负载电流当实际负载电流I Io o = I = Iok ok时 时, ,电感电流处于连续（有断流临界点）电感电流处于连续（有断流临界点）; ; 当实际负载电流当实际负载电流I Io o I Iok ok时 时, ,电感电流断流电感电流断流; ; (3.2.10) (3.2.1 1) )1 ( 2 01 DD L TU II Sd )1 ( 2 0 DD I TU L K

14、 Sd o )1( 2 DD L TU I O Sd OK 2021/3/2310 3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路 v输出纹波电压输出纹波电压: : 在在BuckBuck电路中电路中, ,如果滤波电容如果滤波电容C C的容量足够大的容量足够大, ,则输则输 出电压出电压U U0 0为常数。然而在电容为常数。然而在电容C C为有限值的情况为有限值的情况 下下, ,直流输出电压将会有纹波成份。直流输出电压将会有纹波成份。 电流连续时的输出电压纹波电流连续时的输出电压纹波为为 其中其中f f为为buckbuck电路的开关频率电路的开关频率, , f fc c为电路的截止频率。为电路的截止频

15、率。 它表明通过选择合适的它表明通过选择合适的L L、C C值值, ,当满足当满足f fc cf f 时时, ,可以限制可以限制 输出纹波电压的大小输出纹波电压的大小, ,而且纹波电压的大小与负载无关。而且纹波电压的大小与负载无关。 2 2 2 0 0 )(1 ( 28 )1 ( f f D LCf D U U c （3.2.14） 2021/3/2311 3.3 3.3 升压变换电路升压变换电路 1) 1) 定义定义: :直流输出电压的平均值高于输入电压的变直流输出电压的平均值高于输入电压的变 换电路称为升压变换电路换电路称为升压变换电路, ,又叫又叫BoostBoost电路。电路。 全控型

16、全控型 电力器电力器 件开关件开关 储能储能 保持输出保持输出 电压电压 2 2）原理图）原理图 2021/3/2312 3.3 3.3 升压变换电路升压变换电路 3 3）工作原理）工作原理: : t ton on工作期间 工作期间: :二极管反偏二极管反偏 截止截止, ,电感电感L L储能储能, ,电容电容C C 给负载给负载R R提供能量。提供能量。 t toff off工作期间 工作期间: :二极管二极管 导通导通, ,电感电感L L经二极管给经二极管给 电容充电电容充电, ,并向负载并向负载R RL L提提 供能量。供能量。 可得可得: : 式中占空比式中占空比D=tD=ton on/

17、T /TS S, ,当当D=0D=0时时, ,U U0 0=U=Ud d, , 但但D D不能为不能为1 1, ,因此在因此在 0D0D1 1的变化范围内的变化范围内 U Uo oUUin in图图3.3.1 升压变换电路及其波形升压变换电路及其波形 D U U t tt U d d off offon 1 0 2021/3/2313 3.3 3.3 升压变换电路升压变换电路 4 4）BuckBuck变换器的可能运行情况变换器的可能运行情况: : 根据在理想状态下根据在理想状态下, ,电路的输出功率等于输入功率电路的输出功率等于输入功率, ,参参 考降压变换电路的计算方法考降压变换电路的计算方

18、法, ,可得可得电感电流临界连续时的负电感电流临界连续时的负 载电流平均值载电流平均值为为: : 当实际负载电流当实际负载电流I Io oI Ick ck时 时, ,电感电流连续。电感电流连续。 当实际负载电流当实际负载电流I Io o = I = Ick ck时 时, ,电感电流处于临界连电感电流处于临界连 续续( (有断流临界点有断流临界点) )。 当实际负载电流当实际负载电流I Io oI Ick ck时 时, ,电感电流断流电感电流断流。 d O S OK U L DT I 2 (2.3.11) 2021/3/2314 3.3 3.3 升压变换电路升压变换电路 T T导通时为电感导通时

19、为电感L L 储能阶段储能阶段, ,此时电源此时电源 不向负载提供能量不向负载提供能量, , 负载靠储于电容负载靠储于电容C C的的 能量维待工作。能量维待工作。 T T阻断时阻断时, ,电源和电源和 电感共同向负载供电电感共同向负载供电, , 同时给电容同时给电容 C C充电充电。 图图3.3.1 升压变换电路及其波形升压变换电路及其波形 总结总结: :电感电流连电感电流连 续时续时BoostBoost变换器的变换器的 工作分为两个阶段工作分为两个阶段: : 2021/3/2315 3.3 3.3 升压变换电路升压变换电路 没有电压闭环调节的没有电压闭环调节的BoostBoost变换器不宜在

20、输出端开路情变换器不宜在输出端开路情 况下工作况下工作: :因为稳态运行时因为稳态运行时, ,开关管开关管T T导通期间导通期间 ( )( )电源输入到电感电源输入到电感L L中的磁能中的磁能, ,在在T T截止期间通截止期间通 过二极管过二极管D D转移到输出端转移到输出端, ,如果负载电流很小如果负载电流很小, ,就会出现电流就会出现电流 断流情况。如果负载电阻变得很大断流情况。如果负载电阻变得很大, ,负载电流太小负载电流太小, ,这时若这时若 占空比占空比D D仍不减小、仍不减小、t ton on不变、电源输入到电感的磁能必使 不变、电源输入到电感的磁能必使 输出电压不断增加。输出电压

21、不断增加。 Son DTt 总总 结结: Boost电路对电源的输人电流（也即通过二极管电路对电源的输人电流（也即通过二极管D的的 电流）就是升压电感电流）就是升压电感L电流电流,电流平均值为电流平均值为:I0=(I2-I1)/2。 实际中实际中,选择电感电流的增量选择电感电流的增量IL时时,应使电感的应使电感的 峰值电流峰值电流Id+IL不大于最大平均直流输入电流不大于最大平均直流输入电流Id的的20%, 以防止电感以防止电感L饱和失效。饱和失效。 Boost变换器的效率很高变换器的效率很高,一般可达一般可达92%以上。以上。 2021/3/2316 第第3 3章章 直流变换电路直流变换电路

22、 3.13.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理 3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路 3.3 3.3 升压变换电路升压变换电路 3.4 3.4 升降压变换电路升降压变换电路 3.5 3.5 库克变换电路库克变换电路 3.6 3.6 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器 3.7 3.7 直流变换电路的直流变换电路的PWMPWM控制技术控制技术 2021/3/2317 3.4 3.4 升降压变换电路升降压变换电路 1) 1) 概述概述: : 升降压变换电路（又称升降压变换电路（又称Buck-boostBuck-boost电路）的输电路）的输 出电压平均值可以大于或小于

23、输入直流电压出电压平均值可以大于或小于输入直流电压, ,输出电压与输出电压与 输入电压极性相反输入电压极性相反, ,其电路原理图如图其电路原理图如图3.4.1(a)3.4.1(a)所示。所示。 它主要用于要求输出与输入电压反相它主要用于要求输出与输入电压反相, ,其值可大于其值可大于 或小于输入电压的直流稳压电源。或小于输入电压的直流稳压电源。 l图图3.4.1升降压变换电路原理图升降压变换电路原理图 2021/3/2318 3.4 3.4 升降压变换电路升降压变换电路 2 2）工作原理）工作原理: : t ton on期间 期间, ,二极管二极管D D反偏而关断反偏而关断, ,电感电感 储能储能, ,滤波电容滤波电容C C向负载提供能量。向负载提供能量。 l图图3.4.1 升降压变换电路及升降压变换电路及 其工作波形其工作波形 (3.4.4)(3.4.4) (3.4.1)(3.4.1) off L t I LU 0 on L on d t I L t II LU 12 toff期间期间, ,当感应电动势当感应电动势 大小超过输出电压大小超过输出电压U U0 0时时, ,二二 极管极管D D导通导通, ,电感经电感经D D向向C C和和 R RL L反向放电反向放电, ,使输出电压的使输出电压的 极性与输入电压相反。极性与输入电压相反。 2021/3/2319