第3章直流直流变换器

1、1第三章第三章 直流直流/ /直流变换器直流变换器2第三章第三章 直流直流/直流变换器直流变换器3.1 3.1 直流直流/ /直流降压变换器（直流降压变换器（Buck DC/DC Buck DC/DC 变换器）变换器） 3.2 3.2 直流直流/ /直流升压变换器（直流升压变换器（Boost DC/DC Boost DC/DC 变换器）变换器） 3.3 3.3 直流升压降压变换器（直流升压降压变换器（Boost-BuckBoost-Buck变换器或变换器或CukCuk变换器）变换器） * *3.4 3.4 两象限、四象限直流两象限、四象限直流/ /直流变换器直流变换器 * *3.5 3.5 多

2、相、多重直流多相、多重直流/ /直流变换器直流变换器 3.6 3.6 带隔离变压器的直流带隔离变压器的直流/ /直流变换器直流变换器 3.7 3.7 具有中间交流环节（具有中间交流环节（DC-AC-DCDC-AC-DC）变压器隔离型直流变换电源）变压器隔离型直流变换电源 33.1.1 电路结构和降压原理BUCK变换器的电路结构数学分析的理想化假设Buck电路的分析思路降压原理分析与推导PWM控制方式输出电压的LC滤波电路3.1 直流/直流降压变换器4Buck变换器的电路结构元器件的作用？ 全控型开关管全控型开关管续流二极管续流二极管LC输出滤波输出滤波负载负载3.1 直流/直流降压变换器5数学

3、分析的理想化假设为简化波形分析和数学推导，假设元器件全理想的。即（1）对开关管有： 通态电阻为零，电压降为零； 断态电阻为无 限大，漏电流为零； 从通到断、从断到通的过渡过程时间为零。 只用分析开关的通态和断态（2）电感、电容均为无损耗的理想储能元件。（3）线路阻抗为零。（4）在以上假设下，必有“电源输出到变换器的功率等于变换器的输出功率。”的结论。3.1 直流/直流降压变换器6Buck电路的分析思路 关于开关管T加驱动信号VG 稳态时为周期性通断信号开关周期为TS导通时间记为Ton、关断时间记为Toff，开关频率为fs占空比D：也叫“导通比”，是开关管导通时间与周期的比值。offSonS(1

4、)TTTD TSS1/fTonS/DTTonSTDT3.1 直流/直流降压变换器7Buck电路的分析思路（续1） 三种状态：（1）T为通态、D断态（2）T为断态、D通态二极管续流 （3）T、D都关断的状态电感L的电流断流 两种可能的运行工作模式： （1）电感电流连续模式(CCM):在整个开关周期中电感电流不为零 （2）电感电流断流模式（DCM）:在开关管T阻断态后期一段时间内电感电流为零。 两模式的临界点称为电感电流临界连续状态:开关管阻断期结束时电感电流刚好降为零。3.1 直流/直流降压变换器8降压原理分析与推导EOSDLS 0 ViiiT为通态、D断态3.1 直流/直流降压变换器9降压原理

5、分析与推导（续）EODL0 iiT为断态, D续流3.1 直流/直流降压变换器10降压原理分析与推导（续）,()( ,)d()20tTTVvt0 T0T11VvtV VDV 22ToffSSEOoffonOEOSSSS 0D1 1VoVs“降压变换器降压变换器”名称的由来名称的由来!3.1 直流/直流降压变换器11PWM控制方式改变开关管T的导通时间，即改变导通占空比D ，即可改变变压比M, 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

6、) 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。Q：为什么实际应用中广泛采用：为什么实际应用中广泛采用PWM方式？方式？O TVVDVTonSSS 3.1 直流/直流降压变换器12输出电压的LC滤波1()cos() ntCan tEO0nn次谐波幅值次谐波幅值 22sin()sin() 2VVannDnnSSn()sin() cos()n 12VVtDVnDn t (3-5)n SSVEO中含有大量谐波，对其进行傅里叶分解如下：中含有大量谐波，对其进行傅里叶分解如下： 输出电压的

7、直流平均值！输出电压的直流平均值！再次求得直流分量！再次求得直流分量！大量的谐波！大量的谐波！最低次谐波频率为最低次谐波频率为fs3.1 直流/直流降压变换器13输出电压的LC滤波（续）滤波电感滤波电感L的作用：的作用：对交流高频电压电流呈高对交流高频电压电流呈高阻阻 抗，对直流畅通无阻抗，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，对直流电流阻抗为无穷大，对交流电流阻抗很小。对交流电流阻抗很小。Q：如何选取：如何选取LC？3.1 直流/直流降压变换器LC输出滤波输出滤波14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

8、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。输出电压的LC滤波（续）3.1 直流/直流降压变换器15 3.1.2 电感电流连续时工作特性（CCM模式）几种常用的推导方法CCM模式下的工作波形与计算滤波电容的工作状态分析3.1 直流/直流降压变换器几种常用的推导方法几种常用的推导方法除傅里叶级数法外，下面是除傅里叶级数法外，下面是常用的几种常用的几种推导推导方法。方法。l用波形积分的方法求平均值、变压比用波形积分的方法求平均值、变压比l利用储能元件具有利用储能

9、元件具有 “电路前一周期初始状态与后一周期初始状电路前一周期初始状态与后一周期初始状态相同态相同”的特点的特点求电路稳态运行表达式求电路稳态运行表达式。 例如，电感的电流或磁链；电容的电压或电荷例如，电感的电流或磁链；电容的电压或电荷能分析推导开关电路中的参量之间的关系、画出工作波形，是正能分析推导开关电路中的参量之间的关系、画出工作波形，是正确理解电路、正确设计电路的基础。确理解电路、正确设计电路的基础。iL VCQ 3.1 直流/直流降压变换器17CCM模式下的工作波形与计算O(1) T管导通管导通,D管阻断管阻断dddd LitLitVVSLSOSOSOSOL+onSSVVVVVViTD

10、 TDLLLf3.1 直流/直流降压变换器18EO(2) T管阻断管阻断, D管导通管导通OOOL-offSS(1)(1)VVViTDTDLLLfddLitV SOCCM模式下的工作波形与计算（续）3.1 直流/直流降压变换器19OL-offVITLSOL+onVVITLL+L-II SOOonoffVVVTTLLOonSonoffVTVTTonSTTD用用“稳态时电感电流变化量相等稳态时电感电流变化量相等”推导推导出了输入电压与输出电压之间的关系！出了输入电压与输出电压之间的关系！CCM模式下的工作波形与计算（续）3.1 直流/直流降压变换器20OSOSSVMVVMVDV变压比变压比 ：变压

11、比与电路结构、运行状态和导通比都有关系。变压比与电路结构、运行状态和导通比都有关系。在电感电流连续情况下：在电感电流连续情况下：变压比变压比M只与占空比只与占空比D有关，负载电流大小无关。有关，负载电流大小无关。CCM模式下的工作波形与计算（续）3.1 直流/直流降压变换器21CCM模式下的工作波形与计算（续）3.1 直流/直流降压变换器22OLLminLmax12IIii输出电流平均值Io=电感电流的平均值ILSOLSVVID TL滤波电感电流脉动值Q：当Vs和Vo一定时，如果负载 电流变化，电感电流脉动是 否变化？A：不变！OLmaxOLL1122VIIiiRlT和和D的最大电流就是的最大

12、电流就是ILMAXlT和和D截止时所承受的电压都是截止时所承受的电压都是VSl设计设计Buck变换器时选用变换器时选用T、D依据。依据。CCM模式下的工作波形与计算（续）3.1 直流/直流降压变换器23滤波电容的工作状态分析 高频周期性充放电状态：稳态平均电流为零。 若滤波电容足够大，则电容电压（输出电压）视为恒定的直流电压。 当C不很大时，则电容电压存在一定的脉动。开关周期内充电电荷（放电电荷）：输出电压的脉动量：负载电压纹波：SLLS12228TiiQfOOOmaxOmin2S(1)8D VQVVVCLCf22OC2OSS1182VfDDVLCff3.1 直流/直流降压变换器243.1.3

13、 电感电流断流时工作特性（DCM） 三种开关状态下波形及数学关系 临界负载电流IOB（Boundary Value） 标幺值形式的关系式 Buck变换器的外特性 Buck DC/DC变换器的设计Q: 电流连续模式跟哪些因素有关电流连续模式跟哪些因素有关?3.1 直流/直流降压变换器25三种开关状态下波形及数学关系（1）三种工作状态：）三种工作状态：off1 STDTOSonoffS11TTTTTDDOS1DVVDDOS1VDMDVDDVO提高提高的原因？的原因？3.1 直流/直流降压变换器26电感电流临界连续电流值即为负载最小电流电感电流临界连续电流值即为负载最小电流ILmin = 0OBOm

14、inLmax12IIISOLmaxLSOS1VVDIID TVLLf SOOBSS(1)(1)22VVIDDDLfLf临界负载电流IOBl当当VO一定时一定时IOB是关于是关于D的线性函数且在的线性函数且在D=0时有最大值时有最大值l当当VS一定时一定时 IOB是关于是关于D的二次函数且在的二次函数且在D=0.5时有最大值，这里不讨论。时有最大值，这里不讨论。OBmOS2IVLf存在最大值存在最大值3.1 直流/直流降压变换器27标幺值形式的关系式l将IOBm作为负载电流基值IB后，有如下关系式：l若 则 否则l负载电流的临界电流标幺值：OOBB/1IIID 2*1OMDIMOSO22411V

15、MVIDOOBIIOS/MVVDDM IOB与VO、L、fS以及以及D都有关。VO越低、 fS越高、L越大则IOB越小，越容易实现电感电流连续运行工况。3.1 直流/直流降压变换器28Buck变换器的外特性l外特性定义：在占空比外特性定义：在占空比D D一定时，变压比一定时，变压比M M与占空比与占空比D D和负载和负载电流标幺值电流标幺值I IO* *的函数关系。的函数关系。电感电流连续时，电感电流连续时，M M= =D D，输出，输出电压与负载电流无关电压与负载电流无关, ,控制特控制特性为线性。性为线性。电感电流出现断流，控制特电感电流出现断流，控制特性为非线性。性为非线性。从线性到非线

16、性的转折点由从线性到非线性的转折点由临界负载电流确定。虚线临界负载电流确定。虚线ABCDGABCDG是是V VO为定值时的临界。为定值时的临界。3.1 直流/直流降压变换器29例例3.13.1 图图3.1(a)所示所示: :要求要求电源电压电源电压V Vs s= =147220V，额定负载电流额定负载电流11A，最小负载电流最小负载电流1.1A，输出电压输出电压V Vo o= =110V；开关频率开关频率20kHz。纹波小于。纹波小于1%。要求最小负载时电感电流不断流。要求最小负载时电感电流不断流。计算计算: : 输出滤波电感输出滤波电感L和电容和电容C，选取开关管，选取开关管T和二极管和二极

17、管D。Buck DC/DC变换器的设计3.1 直流/直流降压变换器30l求开关管、二极管参数求开关管、二极管参数（1 1）求）求T T、D D承受的最大电压值（截止时所承受的电压，都是输承受的最大电压值（截止时所承受的电压，都是输入电压）；入电压）；（2 2）求）求T T、D D承受的最大电流值（等于电感电流的最大值）；承受的最大电流值（等于电感电流的最大值）；电感电流临界连续条件求电感电感电流临界连续条件求电感L L；求电感电流的最大值；求电感电流的最大值；（3 3）放大一个安全余量系数。）放大一个安全余量系数。l求滤波参数求滤波参数L、C（1 1）根据输出电压纹波大小确定）根据输出电压纹波

18、大小确定fC C ；（2 2）求电容值。）求电容值。Buck DC/DC变换器的设计（续）3.1 直流/直流降压变换器31第三章第三章 直流直流/直流变换器直流变换器3.1 3.1 直流直流/ /直流降压变换器（直流降压变换器（Buck DC/DC Buck DC/DC 变换器）变换器） 3.2 3.2 直流直流/ /直流升压变换器（直流升压变换器（Boost DC/DC Boost DC/DC 变换器）变换器） 3.3 3.3 直流升压降压变换器（直流升压降压变换器（Boost-BuckBoost-Buck变换器或变换器或CukCuk变换器）变换器） * *3.4 3.4 两象限、四象限直流

19、两象限、四象限直流/ /直流变换器直流变换器 * *3.5 3.5 多相、多重直流多相、多重直流/ /直流变换器直流变换器 3.6 3.6 带隔离变压器的直流带隔离变压器的直流/ /直流变换器直流变换器 3.7 3.7 具有中间交流环节（具有中间交流环节（DC-AC-DCDC-AC-DC）变压器隔离型直流变换电源）变压器隔离型直流变换电源 3.1 直流/直流降压变换器323.2.1 电路结构和升压原理3.2 直流/直流升压变换器333.2.2 电感电流连续时的工作特性两种开关状态变压比M的推导电压、电流基本关系3.2 直流/直流升压变换器34两种开关状态（1）TON期间：期间：VG0, T管导

20、通管导通,D阻断阻断 ，等效为等效为2个独立电路个独立电路LSddLitVSL+SViD TL3.2 直流/直流升压变换器35(2) TOFF 期间期间: VG=0, T管阻断，管阻断，D导通。导通。电源和升压电感共同对负载供电。电源和升压电感共同对负载供电。LSOddLitVVOSL-S(1)VViD TLoffSonS(1)TTTD T两种开关状态3.2 直流/直流升压变换器36LSddLitVSL+SViD TLLSOddLitVVOSL-S(1)VViD TLOS/1/(1)MV VD变压比M的推导l条件：条件：理想理想Boost变换器稳态时变换器稳态时电感电流增减量相等电感电流增减量

21、相等Ton期间期间Toff期间期间VOVS升压！升压！在电流连续条件下在电流连续条件下M与与D有关，负载电流有关，负载电流IO无关。无关。通过通过PWM控制占空比控制占空比D就可以控制输出电压的大小。就可以控制输出电压的大小。3.2 直流/直流升压变换器37Ton期间期间Toff期间期间SonSSVTVD T电感的磁链增量为：OS/1/(1)MVVDOSoffOSS()() (1)VVTVVDT电感磁链的减小量为：ddddiVLttVt变压比M的推导(续)l理想理想Boost变换器稳态时电感磁链（伏秒）增减量相等变换器稳态时电感磁链（伏秒）增减量相等电感两端的伏秒值3.2 直流/直流升压变换器

22、38电压、电流基本关系假定负载电流平均值为IO，功率损耗为零，则 UOIO=USISOSLOOS11VIIIIVDTSOO1DIIIID输入电流输入电流= =电感电流的电流平均值：电感电流的电流平均值： 通过二极管的电流通过二极管的电流ID=负载电流负载电流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 T的电流平均值为：的电流平均值为：l电流平均值电流平均值升压的同时升压的同时是降流的！是降流的！3.2 直流/直流升压变换器39电压、电流基本关系（续）电感电流的脉动量为电感电流的脉动量为：SLL+L-SOSO(1)(1)VIIIDTLVD DTD DVLLfTmaxD

23、maxLmaxSLOO12(1)12IIIIiID DVDLf开关管开关管T T和和D 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：SL+SViD TLOSL-S(1)VViD TL3.2 直流/直流升压变换器40 T T和和D D所承受的最大电压，理想情况下等于所承受的最大电压，理想情况下等于V VO O电压、电流基本关系（续）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分析原因？分析原因？3.2 直流/直流升压变换器41OOmaxOminOonOSOS11QDVVVITIDTICCCCf电压、电流基本关系（续）输出电压脉动等

24、于输出电压脉动等于Ton期间电容期间电容C的电压变化量的电压变化量 VO（近似）（近似）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：OOCOSOSS11VDIfDDVCfVfRCfC1fRC3.2 直流/直流升压变换器423.2.3 电感电流断流时工作特性三种开关状态和变压比M临界负载电流IOB电感电流断流的影响Boost变换器的特性3.2 直流/直流升压变换器43三种开关状态与变压比M（1）Tonon态态 ： VG0, T管导通管导通,D截止截止 SL+LmaxSViIDTL3.2 直流/直流升压变换器44 三种开关状态与变压比M（续）（2）Toff态：态： VG

25、=0, T管阻断，管阻断，D导通导通OSOSL-off1 S1offS/VVVViTDTLLDTT3.2 直流/直流升压变换器45三种开关状态与变压比M（续）（3）VG=0, T管阻断，管阻断，D管截止。管截止。 DM11O111S11111(1)1(1)11VDDDDDMDDDVDDDDD3.2 直流/直流升压变换器46（a a）电感电）电感电流连续时流连续时一个周期结束时一个周期结束时电流大于零电流大于零一个周期结束时一个周期结束时电流刚好等于零电流刚好等于零一个周期未结束一个周期未结束时电流就等于零时电流就等于零 临界负载电流IOB（b b）临界）临界连续时连续时（C C）电感）电感电流

26、不连续电流不连续时时3.2 直流/直流升压变换器47 临界负载电流IOB（续）SL+LmaxSViIDTLoffSSOBLmaxSSS2OOSOS(1)1122(1)(1)22STVD TIIDTTLTVVVDDDDLf VLfOS1/(1), /(1)MDVVD)1/(1DMl当负载电流当负载电流IOIOB , 电感电流连续电感电流连续l当负载电流当负载电流IO=IOB , 电感电流处于连续与断流的边界电感电流处于连续与断流的边界l当负载电流当负载电流IO0, T管导通，管导通，D管截止管截止L1L1S1ddiVVLtSL1+on1ViTLL2L2C1O2ddiVVVLtC1OL2+on2V

27、ViTL3.3 直流升压降压变换器55 Toff期间lVG=0, T管阻断，管阻断，D管导通管导通L1L1SC11ddiVVVLtC1SL1-off1VViTLL2L2O2ddiVVLt OL2-off2ViTL3.3 直流升压降压变换器56 输入输出关系SL1+on1ViTLC1SL1-off1VViTLC1OL2+on2VViTLOL2-off2ViTLOS1VDMVDC1SOVVVlVO既可高于既可高于VS，又可低于，又可低于VS。SOOSO/(1)IV IVI DD3.3 直流升压降压变换器573.3.2 电流断流时工作特性所谓电流断续模式是指二极管D电流断续！3.3 直流升压降压变换

28、器58Cuk电路在不同工作情况下的波形图3.3 直流升压降压变换器59电压应为：电压应为：CESOVVV开关管T电流平均值：电流平均值：T(av)SOIIID电流最大值：电流最大值：SSTmaxSOSS1212VVIIIDTDTLL12SOSS122LLIIV DTL L3.3 直流升压降压变换器60二极管D有效值电流：有效值电流：电压应为：电压应为：平均电流：平均电流：DSO(1)IIIDDrmsSO1IIIDDSOVVV3.3 直流升压降压变换器61 电感电感电感L1的电流脉动：的电流脉动：SL1on1VITLC1OL2on2VVITL电感电感L2的电流脉动：的电流脉动：OnSo2OVTV

29、LV on2SLVT3.3 直流升压降压变换器62电容电容电容C1的选择：的选择：电容电容C2的选择：的选择：nT导通，导通，C1放电；放电；nT截止，截止，C1充电。充电。与与Buck变换器类似变换器类似Cuk变换器利用变换器利用C1进行能量传进行能量传递，充放电电流很大，因此要递，充放电电流很大，因此要选择低损耗的高频电解电容。选择低损耗的高频电解电容。3.3 直流升压降压变换器*633.3.3 两电感有耦合的Cuk变换器l电感和绕在同一铁芯上，则两个电感电感和绕在同一铁芯上，则两个电感L1、L2互相耦合，互相耦合，除自感除自感L1和和L2外还有互感外还有互感M。l用耦合系数用耦合系数k表

30、示耦合程度：表示耦合程度： 21/LLMk 3.3 直流升压降压变换器64C1SOVVVL1Se1onIVLT212e11211ML LLLML21MLL10I11MLL20I电感脉动L1L2S1ddddiiVLMttL2L1C1O2SddddiiVVLMVtt通过两个电感的相互耦合可以把Cuk变换器的输入、输出电流脉动减小到任意程度!3.3 直流升压降压变换器65特点优点：理论上Cuk变换器的拓朴结构最佳具有升、降压功能输入电流和输出电流都连续，若通过两个电感的耦合，其电流脉动纹波可以接近于零。缺点：成本较高，实际工程尚未广泛应用电容成本较高：电容器需要耐受极大的脉动电流；器件T、D成本较高

31、：导通时的最大电流是两电感最大电流之和，截止时承受的电压都是电源电压和负载电压之和。3.3 直流升压降压变换器66MDonOSoffTVVTOSVDVSO1VVDOS11VVDOS1VDVD11MD1DMDSO1DVVD输出电压输出电压 变压比变压比Buck电路电路Boost电路电路Cuk电路电路l电流连续时电流连续时l电流不连续时电流不连续时不同变换器比较3.3 直流升压降压变换器67第三章第三章 直流直流/直流变换器直流变换器3.1 3.1 直流直流/ /直流降压变换器（直流降压变换器（Buck DC/DC Buck DC/DC 变换器）变换器） 3.2 3.2 直流直流/ /直流升压变换

32、器（直流升压变换器（Boost DC/DC Boost DC/DC 变换器）变换器） 3.3 3.3 直流升压降压变换器（直流升压降压变换器（Boost-BuckBoost-Buck变换器或变换器或CukCuk变换器）变换器） * *3.4 3.4 两象限、四象限直流两象限、四象限直流/ /直流变换器直流变换器 * *3.5 3.5 多相、多重直流多相、多重直流/ /直流变换器直流变换器 3.6 3.6 带隔离变压器的直流带隔离变压器的直流/ /直流变换器直流变换器 3.7 3.7 具有中间交流环节（具有中间交流环节（DC-AC-DCDC-AC-DC）变压器隔离型直流变换电源）变压器隔离型直流

33、变换电源 68变换器的“象限”概念 T T与与n n同向时为电同向时为电动状态（动状态（1 1、3 3象限）；象限）；反向时为制动状反向时为制动状态 （态 （ 2 2 、 4 4 象象限）。限）。象限概念与电象限概念与电机调速应用背机调速应用背景密切相关景密切相关3.4 两象限、四象限直流/直流变换器 69IdTVd n第一象限：第一象限：Vd0, Id0第二象限：第二象限：Vd0, Id0第三象限：第三象限：Vd 0, Id 0 第四象限：第四象限：Vd 0变换器的“象限”概念l如前面讲到如前面讲到的的Buck、Boost电路电路3.4 两象限、四象限直流/直流变换器 703.4.1 两象限

34、直流/直流变换器VAB大于零：电机转向始终为正大于零：电机转向始终为正iAB可正可负：电磁转矩可正可负可正可负：电磁转矩可正可负对应电机的正向电动和制动运行对应电机的正向电动和制动运行若若T2完全截止，完全截止，T1周期性的通、断，周期性的通、断，则是则是Buck DC/DC变换器变换器若若T1完全截止，完全截止，T2周期性的通、断，周期性的通、断，则是则是Boost DC/DC变换器变换器 3.4 两象限、四象限直流/直流变换器 71onABSSSTVVDVT输出电压方向：输出电压方向：正向正向输出电流方向：输出电流方向：正向正向电机电机正向电动正向电动，能量由输入直流电源供向负载。，能量由

35、输入直流电源供向负载。l第一象限工作：第一象限工作： Buck DC/DC变换器模式变换器模式3.4.1 两象限直流/直流变换器3.4 两象限、四象限直流/直流变换器 72输出电压方向：输出电压方向：正向正向输出电流方向：输出电流方向：负向负向电机运行于电机运行于正向制动正向制动状态，能量由负载向直流输入电源回馈。状态，能量由负载向直流输入电源回馈。SABAB11VVVD升压：升压：将负载电压升高后向将负载电压升高后向Vs回馈电能回馈电能3.4.1 两象限直流直流变换器l第二象限工作：第二象限工作：Boost DC/DC变换器变换器 模式模式3.4 两象限、四象限直流/直流变换器 733.4.

36、2 四象限直流直流变换器 3.4 两象限、四象限直流/直流变换器 74onBASSTVVT降压降压（将（将Vs的电压降低后送到负载）的电压降低后送到负载）输出电压方向：输出电压方向：反向反向（VAB0）输出电流方向：输出电流方向：反向反向电机运行于电机运行于反向电动反向电动状态，能量由直流输入电源供向负载。状态，能量由直流输入电源供向负载。l第三象限工作：第三象限工作：3.4.2 四象限直流/直流变换器3.4 两象限、四象限直流/直流变换器 75输出电压方向：输出电压方向：正向正向输出电流方向：输出电流方向：反向反向 电机运行于电机运行于反向制动反向制动状态，能量由负载供向直流输入电源。状态，

37、能量由负载供向直流输入电源。升压升压（将负载的电压升高后向（将负载的电压升高后向Vs回馈电能）回馈电能）3.4.2 四象限直流/直流变换器l第四象限工作第四象限工作SABAB11VVVD3.4 两象限、四象限直流/直流变换器 76第三章第三章 直流直流/直流变换器直流变换器3.1 3.1 直流直流/ /直流降压变换器（直流降压变换器（Buck DC/DC Buck DC/DC 变换器）变换器） 3.2 3.2 直流直流/ /直流升压变换器（直流升压变换器（Boost DC/DC Boost DC/DC 变换器）变换器） 3.3 3.3 直流升压降压变换器（直流升压降压变换器（Boost-Buc

38、kBoost-Buck变换器或变换器或CukCuk变换器）变换器） * *3.4 3.4 两象限、四象限直流两象限、四象限直流/ /直流变换器直流变换器 * *3.5 3.5 多相、多重直流多相、多重直流/ /直流变换器直流变换器 3.6 3.6 带隔离变压器的直流带隔离变压器的直流/ /直流变换器直流变换器 3.7 3.7 具有中间交流环节（具有中间交流环节（DC-AC-DCDC-AC-DC）变压器隔离型直流变换电源）变压器隔离型直流变换电源 77*3.5 多相、多重直流/直流变换器 把几个结构相同的基本变换器适当组合可以构成另一种复合把几个结构相同的基本变换器适当组合可以构成另一种复合型直

39、流型直流直流变换器，称为直流变换器，称为多相、多重直流多相、多重直流/直流变换器直流变换器。 假定复合型变换器中开关管控制周期为假定复合型变换器中开关管控制周期为TS，开关频率为，开关频率为f，如，如果一个果一个TS周期中周期中电源侧电流电源侧电流iS(t)脉动脉动n次，即次，即iS(t)脉动频率为脉动频率为nf，则称之为则称之为n相变换器相变换器。 如果一个如果一个TS周期中周期中负载电流负载电流i0(t)脉动脉动m次，即次，即i0(t)脉动频率为脉动频率为mf，则称之为，则称之为m重变换器重变换器。 3.5 多相、多重直流/直流变换器 78三相、三重复合型直流/直流变换器原理l3个开关管驱

40、动信号间相差个开关管驱动信号间相差1/3 Tsl3个开关个开关 占空比占空比D相同相同 231SVVVDVl电感电感L两端直流电压平均值为零两端直流电压平均值为零 O123SVVVVDVl复合的目的？复合的目的？l一个开关周期中负载电流脉一个开关周期中负载电流脉动动3次次,电源电流脉动电源电流脉动3次次 。O123333IIII 3.5 多相、多重直流/直流变换器 79第三章第三章 直流直流/直流变换器直流变换器3.1 3.1 直流直流/ /直流降压变换器（直流降压变换器（Buck DC/DC Buck DC/DC 变换器）变换器） 3.2 3.2 直流直流/ /直流升压变换器（直流升压变换器

41、（Boost DC/DC Boost DC/DC 变换器）变换器） 3.3 3.3 直流升压降压变换器（直流升压降压变换器（Boost-BuckBoost-Buck变换器或变换器或CukCuk变换器）变换器） * *3.4 3.4 两象限、四象限直流两象限、四象限直流/ /直流变换器直流变换器 * *3.5 3.5 多相、多重直流多相、多重直流/ /直流变换器直流变换器 3.6 3.6 带隔离变压器的直流带隔离变压器的直流/ /直流变换器直流变换器 3.7 3.7 具有中间交流环节（具有中间交流环节（DC-AC-DCDC-AC-DC）变压器隔离型直流变换电源）变压器隔离型直流变换电源 80单端

42、正激变换器的主电路结构3.6 带隔离变压器的直流/直流变换器 81N2、D2导电导电N3、D1、D3截止截止lT导通：导通： Ton=DTs期间期间OHFDF21A021S(/)/vveNNeNN V单端正激变换器的工作原理磁通增量磁通增量:S1d/ dVNtS1onS1S(/)(/)VNTVNDT3.6 带隔离变压器的直流/直流变换器 82 D2截止；i3将 N3感应电势经D3反送至电源，i3减小到零; iL 经D1续流。OHF0vvlT截止：截止：Toff = (1-D)Ts期间期间单端正激变换器的工作原理最大可能磁通减量最大可能磁通减量: S3(d/ d )VNt Soff3SS3/(1

43、)/VTNVD TND Fo n2OSSS1eTNVDVMVTN变换器输出电压平均值：变换器输出电压平均值：3.6 带隔离变压器的直流/直流变换器 83l开关管T承受的最大电压T两端的反向电压：113SBASSS33NNNVVeVVVNN单端正激变换器的工作原理3.6 带隔离变压器的直流/直流变换器 84S1SSS3(/)(1)/VNDTVD TNmax113/()DNNN通常取通常取 N3=N1，故工作中的最大占空比故工作中的最大占空比 Dmax=0.5 此时此时T的最大反压的最大反压 13TmaxSS32NNVVVN单端正激变换器的工作原理l磁通复位、最大运行导通比Dmax3.6 带隔离变

44、压器的直流/直流变换器 隔离变压器及相关概念单端变换器变压器磁通仅在单方向变化正激变换器开关管导通时电源将能量直接传送给负载隔离变压器的作用:实现输入电源和负载的电气隔离(提高安全可靠性和电磁兼容性)匹配输入电压和输出电压输出多个不同等级的直流电压隔离变压器的工作原理：磁势(磁通)平衡，储能不变，磁通复位3.6 带隔离变压器的直流/直流变换器 86单端反激变换器的主电路结构 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3.6 带隔离变压器的直流/直流变换器 87lTon期间: N1*为正，D1截止 1SS1ddddiVLNttS1S1

45、ViDTL SS1VDTNS1max10110S1ViiiiDTL Sm0S1VD TN单端反激变换器的工作原理3.6 带隔离变压器的直流/直流变换器 882201max1NiNimax12120iNNi222OddddiLNVtt O2min20S2(1)ViiD TLOS2(1)VD TN22022max112121iLiLlT off期间l磁场储能磁场储能不能突变：不能突变：l磁势平衡：磁势平衡：单端反激变换器的工作原理3.6 带隔离变压器的直流/直流变换器 891max12max2ININ1min12min2ININ1122I NI N S1on1VITLO2off2VITL21122

46、LNLN2OS11NDVVNDl输入输出电压关系升降压变换器单端反激变换器的工作原理电压比电压比211NDMND3.6 带隔离变压器的直流/直流变换器 90l电流关系式 N1绕组的最大电流： N2绕组的最小电流： 电流i2不断流的条件i2min0，所以有12OS2 minS21112NNIViDTNNDL221OO211(1)2sBNID VNL fO OS2OS1maxSSS111212V IVNIViDTDTV DLNDL单端反激变换器的工作原理3.6 带隔离变压器的直流/直流变换器 1 S O1 S221O12211L f IL fNNNVNR D91l开关管T、D1阻断时承受的电压Tm

47、axSOA1SF21S1OSO221BVVvNVvNNVN VVVNDND二极管电压应为：二极管电压应为：2DSO1NVVVN21NNVT VD 单端反激变换器的工作原理3.6 带隔离变压器的直流/直流变换器 92双管反激变换器 T1、T2同时导通、同时阻断；导通时将电源能量储存在变压器中，阻断时储存的能量送给负载，原方绕组电流通过D1、D2和电源续流、去磁。 T1、T2所承受的最高电压仅为电源电压VS 3.6 带隔离变压器的直流/直流变换器 93小结（对比） 不需要专门的去磁绕组，电路简单。 单端：磁通也是单方向变化。 反激：依靠变压器绕组电感在开关T阻断时释放存储的能量而对负载供电。在负载

48、为零的极端情况下，由于T导通时储存在变压器电感中的磁能无处消耗，故输出电压将越来越高，损坏电路元件，所以反激式变换器不能在空载下工作。3.6 带隔离变压器的直流/直流变换器 94*3.6.3 隔离型Cuk变换器将非隔离Cuk变换器中的电容C1一分为二；令电容值足够大，电容电压在一个开关周期中近似恒定不变；插入变压器（同名端如图）。两者所有特性完全相同（除了带隔离功能、匝比外）。 3.6 带隔离变压器的直流/直流变换器 95第三章第三章 直流直流/直流变换器直流变换器3.1 3.1 直流直流/ /直流降压变换器（直流降压变换器（Buck DC/DC Buck DC/DC 变换器）变换器） 3.2

49、 3.2 直流直流/ /直流升压变换器（直流升压变换器（Boost DC/DC Boost DC/DC 变换器）变换器） 3.3 3.3 直流升压降压变换器（直流升压降压变换器（Boost-BuckBoost-Buck变换器或变换器或CukCuk变换器）变换器） * *3.4 3.4 两象限、四象限直流两象限、四象限直流/ /直流变换器直流变换器 * *3.5 3.5 多相、多重直流多相、多重直流/ /直流变换器直流变换器 3.6 3.6 带隔离变压器的直流带隔离变压器的直流/ /直流变换器直流变换器 3.7 3.7 具有中间交流环节（具有中间交流环节（DCDCACACDCDC）变压器隔离型直流变换）变压器隔离型直流变换电源电源 主电路结构3.7 具有中间交流环节（DCACDC）变压器隔离型直流变换电源 97主电路结构 电路结构的共同点：电路结构的共同点：l经过了两级功率变换经过了两级功率变换（）高频逆变器将直流逆变为脉宽可控的高频方波交流；（）高频逆变器将直流逆变为脉宽可控的高频方波交流；（）用不控整流将高频方波交流整流为（）用不控整流将高频方波交流整流为PWM直流方波；直流方波；（）（）LC滤波器滤除高频分量而获得纹波很小的平稳直流滤波器滤除高频分量而获得纹波很小的平