二讲一基本开关型变换器主电路拓扑

1、直流/直流变换器 主电路拓扑开关电源开关电源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UoutUinDC/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 小结1.1

2、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，漏电流为零；（暂不考虑功耗）（3）电路中的

3、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）OOSSIVIV2. 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TVG0, T管导通SLDSEOiiiV;0LtUULtUUdittdtididtdiLUUUdtdiLUUUUonOSOSlonlllOSLlLOL/)(/)(;S11111开关管开关管T导通导通VG=0, T管阻断LDEOii 0TDTTTonoff)( 1offOOOllLlOLtLUtLUdtLUiididtdiLUU2222-21lliionOSoffOtLUUtLU在稳定稳

4、定输出工作期间：开开关关管管T截截止止DMUUUDUtttUSOSSoffononO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 10nnEOtnaCt)cos()( 221 212120sSSEOoODVDVVtdvCV)(变压比为变压比为M 2/SSSOVDVMVVn次谐波幅值次谐波幅值 222)sin()sin(nDnVnnVaSSn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TTDon/0/SMVVDTTonTDToff)( 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

5、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： 10nnntnbtnaCtF)sin()cos()(2020002111)()()()()(tdtFtdtFTdttFTCT)()cos()(1)cos()(2200tdtntFdttntFTaTn)()sin()(1)sin()(2200tdtntFdttntFTbTn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

6、无限项三角级数傅立叶级数： 10nnntnbtnaCtF)sin()cos()(F(t)也可表达为： 10)cos()(nnntnCCtF2000211)()()(tdtFdttFTCT22nnnbaC3.3.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

7、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 2SSonSOUUTtDUU4.4.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

8、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：CL1q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： fiTiQLsL8222120min0max008)1 (LCfVDCQVVV输出电压中纹波量输

9、出电压中纹波量 1.1.2 电感电流连续时工作特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

10、电感电流已降为零。阻断期间内经二极管续流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 OSLSVVdtdiLdtdiL DLfVVTDLVVTLVViOSOSonOSL 11)()(DLfVTDLVTLViOOoffOL OLVdtdiL(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因素有关电流连续模式跟哪些因素

11、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）（ 111111LtUULtUUdittdtididtdiLUUUdtdiLUUUUonOSOSlonlllOSLlLOL/)(/)(;S开关管开关管T关短，续流管关短，续流管D导通导通12222-offOOOllLlOLtLUtLUdtLUiididtdiLUU21ll

12、iionOSoffOtLUUtLU12112111DDDMUUUDDDUtttUSOSSoffononO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：LOOSonLoffonMoffoniORUTTDLUUTDDTtLUttTIttTSIl12111212121面积LOOSRUDLUUTDD12121不连续续流情况下联立解得：又：令1811218122212121122112111121DMDDDDDDMDDDDMTRLRUDLUUTDDLLLLLLOOS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

13、12118112DDDMDML断续和连续临界点的确定，续流断续，续流连续临界条件202020212121llliIiIiI,LLLOofflTRLDRUTDLUtLUiI2222212201020整理得：时，续流是连续的当临界电感COOOOonCOOonOOOOLCLLDfPUPUtTLPUtTUUIUTDTRDL122222122222TicdtiCUUCUUULTUCClcCOiOOO81118120上的纹波电压：电容电容选择：2)(LMINLMAXOIII，选COOOOonCLLDfPUPUtTL122122D选择：选择：OMAXFIMAXDRIIUU开关管开关管T选择：选择：ICUU6

14、2.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

15、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=147220V，额定负载电流11A，最小负载电流1.1A，开关频率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12. 直流-直流升压变换器（Boost变换器

16、）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SonDTTlVG0, T管导通管导通,D阻断阻断 1.两种开关状态SonSoffTDTTT)1 ( lVG=0, T管阻断管阻断TTDonTTDoff)( 1LSL didtVSLsViD TLLSoL didtVV0(1)SLsVViD TL0/1/(1)SMVVD2. 变压比和电压、电流基本关系l理想理想Boost变换器的

17、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IO001TSDIIIID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011IDUUIIISOOLS2. 变压比和电压、电流基本关系电感电流的脉动量为：00(1)(1)SLLLSSVIIIDTLVD DTD DVLLfmaxmaxmax0

18、012(1)12TDLSLIIIIiID DVDLf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000min0max0011ICfDDTICTonICCQVVVs 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 ssLLDTLVIimax1.三种开关状态与变压比lVG=0, T管阻断，管阻断，D导通导通soffssooffsoLTTDTDLVVTLVVi/111.三种开关状态与变压比lVG=0