直流直流变换电路

1、本本章章主主要要内内容容3.1降压斩波电路3.2升压斩波电路3.3升降压复合斩波电路3.4库克电路3.5 Sepic和Zeta斩波电路第第3章章 直流直流-直流变流电路直流变流电路3.6复合型DC-DC斩波电路3.7带隔离的直流-直流变流电路3.1 降压斩波电路降压斩波电路(Buck) 降压斩波电路也称为Buck电路，降压斩波电路的输出电压Uo低于输入电压Ud。该电路用GTR作为全控器件开关VT，电感和电容构成低通滤波器，二极管VD提供续流通道。3.1 Buck电路电路-等效原理图等效原理图sonsonLdoo00d()d()d0TtTtutUUtUt3.1 Buck电路电路-电流连续模式电流

2、连续模式sonsonLdoo00d()d()d0TtTtutUUtUtdoonoson()()UUtU TtoondsUtDUToddo1IUIUD3.1 Buck电路电路-电流临界断续模式电流临界断续模式LLMdoLonddiIUUuLLttsdLBMLBLBM0.54(1)8TUDIIIDDL当当onssdLBLMdodooB1()()(1)2222tDTTUIIUUUUDDILLL3.1 Buck电路电路-电流断续模式电流断续模式oLdoso1 sd1=0()()0UDUUUDTUTUD 因oLLMoLLM1 s1 sddUiIUuLLITtTLosdsLM1Ls1soLLM111()(

3、)2222U TU TIDI TDTIIIDDLL 3.1 Buck电路电路-电流断续模式电流断续模式dsoo1LBM11LBM424U TIIDIDLID 2o2od1LBM1()4UDDIUDDI例3-1 在图3-1所示的降压斩波电路中，已知Ud=200V，R=10，L值极大，Ts=50 s，ton=20s，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。若存在负载Em=20V，求输出电流平均值Io。 onods20 20080(V)50tUUToo808(A)10UIR解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为 输出电流平均值为3.1 Buck电路电路-例题例题omo80206(

4、A)10UEIR 若存在负载Em=20V，输出电流平均值为例3-2 在图2-1所示的降压斩波电路中，已知Ud=2710%V， Uo =15V，最大输出功率为Pomax=120W，最小输出功率为Pomin=10W，若工作频率为30kHz，求(1)占空比变化范围；(2)保证整个工作范围电感电流连续时的电感值。dmax27(1 10%)29.7(V)U解: (1)输入电压的变化值为3.1 Buck电路电路-例题例题dmin27(1 10%)24.3(V)U占空比变化范围为od150.5050.61724.329.7UDU例3-2 在图2-1所示的降压斩波电路中，已知Ud=2710%V， Uo =15

5、V，最大输出功率为Pomax=120W，最小输出功率为Pomin=10W，若工作频率为30kHz，求(1)占空比变化范围；(2)保证整个工作范围电感电流连续时的电感值。sdsosooLBLBoo22omin3omin(1)(1)(1)(1)222215(1)(1 0.505)0.186m22 10 30 10TUTUTUULDDDDDIIII fUDHPf解: (2)因为IL= Io,当负载最小，占空比最小时，所需要的电感越大，当Uo不变时，由式(2-5)得3.1 Buck电路电路-例题例题3.2 升压斩波电路（Boost）升压斩波电路也称为Boost电路。升压斩波电路的输出电压总是高于输入电

6、压。升压斩波电路的一个典型应用是用作单项功率因数校正（PDC）电路。电路中的电容C起滤波作用，二极管VD提供续流通道。3.2 Boost电路-等效原理图d ondooff()0U tUUt3.2 Boost电路电路-电流连续模式电流连续模式d ondooff()0U tUUtosdoff11UTUtDdoPP由ddoood1U IU IIDI LLMdLonddiIUuLLttoodLdL;1IIIIDII 因为因为3.2 Boost电路电路-电流临界断续模式电流临界断续模式2sooBLB(1)(1)2TUIIDDDLdsoLBLMon11(1)222UTUIItDDLLsoLBM0.5,8T

7、UDIL当当3.2 Boost电路电路-电流临界断续模式电流临界断续模式soLB(:(1) )2TUIDDL注。sooBM20.33,27TUDIL当当2sooB(:(1)2TUIDDL注。2LBLBMoBoBM27 4(1),(1)4ID IIDDI所以oo11dsdo1 sd1d1()0UIDU DTUUTUID 3.2 Boost电路电路-电流断续模式电流断续模式dLLMdLLMssddUiIUuLLIDTtDTLdsLM1Ls1sdLLM1()()222U TIDI TDTIIID DLsd1odo112TUIIIDDL 3.2 Boost电路电路-电流断续模式电流断续模式12oood

8、doBM4(1)27UUIDUUI例3-3 在图2-5所示的升压斩波电路中，已知Ud=50V，L值和C值极大，R=20，采用脉宽调制控制方式，当TS=40s，ton=25s时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。ooff4050133.3(V)4025TUEt输出电流平均值为：oo133.36.667(A)20UIR 解：输出电压平均值为： 3.2 Boost电路-例题3.3升降压复合斩波电路(Buck-Boost)电路可以得到高于或低于输入电压的输出电压。当VT导通时，输入端经VT和电感构成电流通道，提供能量给电感，二级管反向偏置，电感电流增大，负载电流由电容器上存储的能量提供。当V

9、T断开时，电感中的自感电势使二级管导通，存储在电感中的能量经二级管传递给电容和输出负载。电感电流减小，电路输出电压是负的。3.3 Buck-Boost等效原理图0)1)(sosdTDUDTU+-+3.3 Buck-Boost -电流连续模式dsos()(1)0U DTUD T od1UDUDdoPP由ddoood1U IU IIDID当占空比D大于0.5时，输出电压高于输入电压；当占空比D小于0.5时，输出电压低于输入电压，因此，改变占空比就可以得到期望的输出电压值。 LLMdLonddiIUuLLttoLdooLd1+ ;(1)IDIIIIIDID因因2sooBLB(1)(1)2TUIIDD

10、LdsdsoLBLMon11=(1- )2222UTUTUIItDDLLL3.3 Buck-Boost -电流断续模式得得soLBM0,2TUDIL当当so(:(1- ) )2TUDL注。sooBM0,2TUDIL当当2so(:(1)2TUDL注。2LBLBMoBoBM (1),(1)IIDIID所以3.3 Buck-Boost 电流临界断续模式oo1dso1 sd1d()0UIDU DTUTUID dLLMdLLMssddUiIUuLLIDTtDTLdsLM1Ls1sLLM1()()222U TIDI TDTIID DL3.3 Buck-Boost -电流断续模式oodoBMUIDUI例3-

11、4 升降压复合斩波电路中，工作频率为20kHz，L=0.05mH，输出电容C足够大，Ud=15V， Uo =10V，输出功率为Po=10W，求占空比。ooo10W1A10VPIU解:3.3 Buck-Boost 例题do100.4115UDDDU若工作于连续电流模式则带入2-37，可得D=0.4时电流临界连续的负载电流IoB322sooB30.05 1010(1)(1 0.4)1.8A22 0.05 10TUIDL例3-4 升降压复合斩波电路中，工作频率为20kHz，L=0.05mH，输出电容C足够大，Ud=15V， Uo =10V，输出功率为Po=10W，求占空比。解:3.3 Buck-Bo

12、ost 例题oodoBM1010.3155UIDUI因输出电流Io=1A0且VT1导通过程。直流侧电源通过VT1向负载供电，输出电压uo=ui，此时输出电流io增加，负载电感和负载电动势储能也增加。由于io0且uo0，因此电路工作在第一象限。3.6 二象限二象限DC-DC斩波电路斩波电路 (2)(2) 输出电流io0且VT1关断过程。由于电感电流不能突变，因此VD2导通续流，输出电压uo=0，此时VT2承受反压而不能导通，因此输出电流减小，负载电感储能和负载电动势储能也减小。由于io0且uo=0，因此电路工作在第一象限。3.6 二象限二象限DC-DC斩波电路斩波电路 (3)(3) 输出电流io

13、0且VT2导通过程。负载电动势通过VT2向负载电阻和电感供电，输出电压uo=0，此时输出电流io反向增加，负载电感储能也增加。由于io0且uo=0，因此电路工作在第二象限。3.6 二象限二象限DC-DC斩波电路斩波电路 (4)(4) 输出电流io0且VT2关断过程。由于电感电流不能突变，因此VD1导通续流，输出电压uo=ui，因VT1承受反压而不能导通，因此输出电流减小，负载电感储能和负载电动势储能也减小。由于io=0斩波电路运行在一二象限； 3.6 四四象限象限DC-DC斩波电路斩波电路(2)(2)当VT2保持导通时，利用VT3、VT4进行斩波控制，则构成了另一组电流可逆的二象限DC-DC斩

14、波电路，此时uAB=0 ，斩波电路运行在三、四象限。 3.6 多相多重多相多重DC-DC斩波电路斩波电路所谓的“相”是指斩波电路输入侧（电源端）的各移相斩波控制的支路相数，而所谓的“重”则是指斩波电路输出侧（负载端）的各移相斩波控制的支路重叠数。 3.7 带隔离的直流带隔离的直流-直流变流电路直流变流电路3.7.1 正激电路正激电路3.7.2 反激电路反激电路 3.7.3 半桥式降压电路半桥式降压电路3.7.4 全桥式降压电路全桥式降压电路3.7.5 推挽电路推挽电路3.7.6 全波整流和全桥整流全波整流和全桥整流 3.7 正激电路正激电路输出电压输出电压 输出滤波电感电流连续时输出滤波电感电

15、流连续时 oon21SUtNUN T3.7 正激电路正激电路-磁芯复位磁芯复位(1)开关管VT导通时，U2=N2*US/N1, 电源能量经变压器传递到负载侧。VT截止时变压器原边电流经D3、DW续流，磁场能量主要消耗在稳压管DW上。VT承受的最高电压为US+UDW。3.7 正激电路正激电路-磁芯复位磁芯复位(2)VT导通时，电源能量经变压器传递到负载侧。VT截止时，由于电感电流不能突变，线圈N1会产生下正上负的感应电势e1。同时线圈N3也会产生感应电势e3=N3*e1/N1，当e3=US时，D3导通。磁场储能转移到电源US中，此时VT上承受的最高电压为US+ N1*US/N33.7 反反激电路

16、激电路输出电压输出电压 输出滤波电感电流连续时输出滤波电感电流连续时 oon2s1offUtNUN t3.7 反反激电路激电路输出电压输出电压 输出滤波电感电流连续时输出滤波电感电流连续时 oon2s1offUtNUN tN2N1N1N23.7半桥式隔离的降压电路（半桥式隔离的降压电路（1）VT1开通，VT2关断时，电源及C1上储能经变压器传递到副边，此时电源经VT1、变压器向C2充电，C2储能增加。同时D4 导通。N2N1N23.7半桥式隔离的降压电路（半桥式隔离的降压电路（2）当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零，D3和D4都处于通态，各分担一半的电流。N2N1N23.7半桥式隔

17、离的降压电路（半桥式隔离的降压电路（3）电容C1、C2上电压为US/2，当VT1关断，VT2导通时，电源及电容C2上储能传到副边。电源经变压器、VT2向C1充电，C1储能增加。同时D3导通。oon2s1UtNUNTN2N1N2输出电压输出电压 输出滤波电感电流连续时输出滤波电感电流连续时 3.7全桥式隔离的降压电路（全桥式隔离的降压电路（1） VTVT1 1与与VTVT4 4开通后，开通后，D D1 1处于处于通态，电感通态，电感L L电流逐渐上升。电流逐渐上升。 VTVT2 2与与VTVT3 3开通后开通后D D2 2处于通处于通态，电感态，电感L L的电流也上升。的电流也上升。 当当4 4

18、个开关都关断时，个开关都关断时，D D1 1和和D D2 2都处于通态，各分担一都处于通态，各分担一半的电感电流，电感半的电感电流，电感L L的电流的电流逐渐下降，逐渐下降，S1S1和和S2S2断态时承断态时承受峰值电压均为受峰值电压均为U Us s。3.7全桥式隔离的降压电路（全桥式隔离的降压电路（2）oon2s12UtNUNT输出电压输出电压 输出滤波电感电流连续时输出滤波电感电流连续时 3.7推挽电路推挽电路(1)推挽电路推挽电路 工作过程工作过程 推挽电路中开关推挽电路中开关S1和和S2交替交替导通，在绕组导通，在绕组N1和和N1两端分两端分别形成相位相反的交流电压。别形成相位相反的交

19、流电压。 S1导通时，导通时，VD1处于通态，处于通态，电感电感L的电流逐渐上升，的电流逐渐上升，S2导导通时，二极管通时，二极管VD2处于通态，处于通态，电感电感L电流也逐渐上升。电流也逐渐上升。当两个开关都关断时，当两个开关都关断时，VD1和和VD2都处于通态，各分担一都处于通态，各分担一半的电流，半的电流，S1和和S2断态时承受断态时承受的的峰值电压峰值电压均为均为2倍倍Ui。 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOOS1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO3.

20、7推挽电路推挽电路(2) 如果如果S1和和S2同时导通，变压器一次侧绕组短路，每同时导通，变压器一次侧绕组短路，每个开关占空比不能超过个开关占空比不能超过50%，要留有死区。，要留有死区。 输出电压输出电压 当滤波电感当滤波电感L的电流连续时的电流连续时 TtNNUUon12io2 (2-78) 电路电路优点优点缺点缺点功率范围功率范围应用领域应用领域正激正激电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单变压器单向激磁，利用率低几百W几kW各种中、小功率电源反激反激电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低几W几十W小功率电子设备、计算机设备、消费电

21、子设备电源。全桥全桥变压器双向励磁，容易达到大功率结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路几百W几百kW大功率工业用电源、焊接电源、电解电源等半桥半桥变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本低有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路几百W几kW各种工业用电源，计算机电源等推挽推挽变压器双向励磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单有偏磁问题几百W几kW低输入电压的电源各种不同的间接直流变流电路的比较各种不同的间接直流变流电路的比较3.8 全波整流电路全波整流电路双端电路双端电路中常用整流电路形式为中常用整流电路形式为全波整流电路全波整流电路和和全桥整流电路全桥整流电路。全波整流电路的特点全波整流电路的特点 优点：电感优点：电感L的电流回路中只有的电流回路中只有一个