第十讲DC-DC变换(一)

1、第3章 直流/直流变换器第九讲第九讲 直流斩波电路分析直流斩波电路分析v直流斩波电路（DC Chopper） 将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电 也称为直接直流-直流变换器（DC/DC Converter） 一般是指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流交流直流 习惯上，DCDC变换器包括以上两种情况，且甚至更多地指后一种情况 v直流斩波电路的种类6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路复合斩波电路不同基本斩波电路组合多相多重斩波电路相同结构基本斩波电路组合 第3章 直流/直流变换器 斩

2、波电路三种控制方式 T不变，变ton脉冲宽度调制（PWM）。 ton不变，变T 频率调制。 ton和T都可调，改变占空比混合型。2此种方式应用最多第2章介绍过：电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想。基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析。分V处于通态和处于断态初始条件分电流连续和断续第3章 直流/直流变换器第五章第五章 直流直流/ /直流变换器直流变换器5.1 直流/直流降压变换器(Buck变换器)5.2 直流/直流升压变换器(Boost变换器)5.3 直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器)5.4 直流升压-降压变换器(Cuk变换器)5.5 带隔离变压器的直流/直流变

3、换器第3章 直流/直流变换器n工作原理n外特性n 元器件选择和设计5.1降压变换器（Buck变换器）第3章 直流/直流变换器 Ui = 100V Uo = 50V Io = 10A设计要求：直流变换器UiRLdUo+_DC-DC变换器第3章 直流/直流变换器 Ui = 100V Uo = 50V Io = 10A设计要求：直流变换器：电阻分压 = UoIo/UiIo = Uo/Ui = 50/100 = 50%Ploss =5010 =500(W)UR = 100-50 =50(V)UiRLdUo+_ 效率太低!无法自动稳压!第3章 直流/直流变换器UiRLdUo+_ Ui = 100V Uo

4、 = 50V Io = 10A设计要求：直流变换器：线性模式 = UoIo/UiIo = Uo/Ui = 50/100 = 50%UQ = 100-50 =50(V) 效率太低!无法自动稳压!PQ = UQ IQ = 5010 =500(W)可以自动稳压!线性放大器和基极驱动_+Vref第3章 直流/直流变换器QUiRLdUo+_ Ui = 100V Uo = 50V Io = 10A设计要求：01sToosUu dtT直流变换器：开关模式ttuo100V0ubeTonTs1ionsUTTonisTUTonsTDTiUDTon：导通时间Ts： 开关周期D： 占空比50V第3章 直流/直流变换器

5、QUiRLdUo+_ Ui = 100V Uo = 50V Io = 10A设计要求：Q on: PQ(on) = Vces Io 0 100%Ploss 0Q off: PQ(off) = Vin Iceo 0直流变换器：开关模式ttuo100V0ubeTonTs可以自动稳压!oiUD U 效率很高！第3章 直流/直流变换器QUiRLdUo+_滤波器续流二极管DBuck变换器降压式变换器LfCf第3章 直流/直流变换器n工作原理n外特性n 元器件选择和设计5.1 Buck变换器第3章 直流/直流变换器Q ON工作原理：电感电流连续QUiLfCfRLdUo+_DLfioUUULffdiLdtU

6、Lf+_iLf( )ioLfonfUUITLABttubeiLfILfminILfmaxtuABUi0tuLfUi- Uo-Uo0Io00TonToffTs第3章 直流/直流变换器QUiLfCfRLdUo+_DULf+_iLfQ OFF工作原理：电感电流连续LfoUU LffdiLdt( )oLfofffUITLABttubeiLfILfminILfmaxtuABUi0tuLfUi- Uo-Uo0Io00TonToffTs第3章 直流/直流变换器输入电压与输出电压之间的关系工作原理：电感电流连续( )oLfofffUITL( )ioLfonfUUITL( )( )LfLfII iooonoff

7、ffUUUTTLLoonionoffUTUTTonsTTD占空比ttubeiLfILfminILfmaxtuABUi0tuLfUi- Uo-Uo0Io00TonToffTs脉冲宽度调制(Pulse-Width Modulation)脉冲频率调制Pulse-Frequency Modulation第3章 直流/直流变换器minmax12oLfLfIII输出电流平均值ioLfsfUUID TL滤波电感电流脉动值（即纹波电流）提问：当Ui和Uo一定时，如果负载电流变化，电感电流脉动是 否变化？工作原理：电感电流连续ttubeiLfILfminILfmaxtuABUi0tuLfUi- Uo-Uo0Io

8、00TonToffTs第3章 直流/直流变换器工作原理：电感电流断续QUiLfCfRLdUo+_DQUiLfCfRLdUo+_DULf+_iLfQUiLfCfRLdUo+_DULf+_iLfABttubeiLfILfminILfmaxtuABUi0tuLfUi- Uo-Uo0Io00TonToffTs第3章 直流/直流变换器ttubeiLfILfmaxtuABUi0tuLfUi- Uo- Uo0Io00TonToffTs电感电流临界连续据图可知电感电流连续临界电流值，即有负载最小电流：ILfmin = 0minmax12GoLfIIImaxioLfLfsfUUIID TL (1)2isGfU

9、TIDDL第3章 直流/直流变换器QUiLfCfRLdUo+_DBuck变换器的元器件参数选择已知条件： 输入电压Ui(变化范围) 输出电压Uo 输出电流Io 输出电压稳定精度 输出电压纹波元器件参数选择： 功率晶体管 二极管 滤波电感 滤波电容第3章 直流/直流变换器QUiLfCfRLdUo+_D变换效率的近似计算双极性晶体管2oicesUUU如果fs20kHz，可近似认为其导通损耗等于开关损耗。功率MOSFEToiDSUUU如果fs100kHz，可忽略其开关损耗。第3章 直流/直流变换器功率晶体管选择：类型QUiLfCfRLdUo+_D开关频率晶体管类型选择功率管类型50kHz低频功率管开

10、关功率管功率MOSFET如果功率较大，可选用IGBT。第3章 直流/直流变换器QUiLfCfRLdUo+_DttubeiLfILfminILfmaxIo00TonToffTs功率晶体管电压和电流应力平均电流：QiIIoD I峰值电流：2QPoiIImaxmaxoGII电压应力：ceiUU功率晶体管ICM 2IQPU(BR)ceo 2Ui第3章 直流/直流变换器二极管类型选择QUiLfCfRLdUo+_Dn开关二极管、快恢复二极管或者FRED；二极管类型选择n输出电压较低时，如5V以下，需要采用功率MOSFET来替 代整流二极管，即同步整流。n电压低于40V时，可选用肖特基二极管；第3章 直流/

11、直流变换器QUiLfCfRLdUo+_DttubeiLfILfminILfmaxIo00TonToffTs二极管电压和电流应力平均电流：OFDosTIIT1oID有效值电流近似值：201OFTDrmsosII dtT1oID电压应力：DiUUUDR 2Ui第3章 直流/直流变换器QUiLfCfRLdUo+_DttubeiLfILfminILfmaxIo00TonToffTs滤波电感量的计算ioLfsfUUID TLILf过小，Lf太大。ILf过大，Lf太损耗太大，且Uo脉动大。工程上一般取ILf=20%Io。在10%Io时，电感电流连续。0.2iofsoUULD TI第3章 直流/直流变换器Q

12、UiLfCfRLdUo+_DttubeiLfILfminILfmaxIo00TonToffTs滤波电容量的计算输出电流脉动很小0.2ioLfsoUUID TIILf全部流过电容201sTcLffUi dtC11222LfsfITC8LffsIC f8LffcsICU f电容电压变化量（即纹波电压值）为第3章 直流/直流变换器26 全控型器件 若为晶闸管，须有辅助关断电路。续流二极管负载出现的反电动势典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。思考上图中Uo，Io计算式是怎样的？第3章 直流/直流变换器讨论例题5-1：设计Buck变换器，电源电压Vs=147-220V，额定负载电流11A，最

13、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%，且最小负载时电感电流连续。试确定L、C、开关管T和二极管D。提问：课后习题1-3、5-827第3章 直流/直流变换器QUiLfCfRLdUo+_DttubeiLfILfminILfmaxIo00TonToffTs功率晶体管电压和电流应力平均电流：QiIIoD I峰值电流：2QPoiIImaxmaxoGII电压应力：ceiUU功率晶体管ICM 2IQPU(BR)ceo 2Ui第3章 直流/直流变换器QUiLfCfRLdUo+_DttubeiLfILfminILfmaxIo00TonToffTs二极管电压和电流应力平

14、均电流：OFDosTIIT1oID有效值电流近似值：201OFTDrmsosII dtT1oID电压应力：DiUUUDR 2Ui第3章 直流/直流变换器QUiLfCfRLdUo+_DttubeiLfILfminILfmaxIo00TonToffTs滤波电感量的计算ioLfsfUUID TLILf过小，Lf太大。ILf过大，Lf太损耗太大，且Uo脉动大。工程上一般取ILf=20%Io。在10%Io时，电感电流连续。0.2iofsoUULD TI第3章 直流/直流变换器QUiLfCfRLdUo+_DttubeiLfILfminILfmaxIo00TonToffTs滤波电容量的计算输出电流脉动很小0

15、.2ioLfsoUUID TIILf全部流过电容201sTcLffUi dtC11222LfsfITC8LffsIC f8LffcsICU f电容电压变化量（即纹波电压值）为第3章 直流/直流变换器n工作原理n外特性n 元器件选择和设计5.2 Boost变换器第3章 直流/直流变换器Q ON电感电流连续(1)LbiUULbbdiLdt( )iLbonbUITL第3章 直流/直流变换器Q OFF电感电流连续(2)LbioUUULbbdiLdt( )oiLboffbUUITL第3章 直流/直流变换器输入电压与输出电压之间的关系电感电流连续(3)( )oiLboffbUUITL( )iLbonbUI

16、TL( )( )LbLbII ioionoffbbUUUTTLLonoffoioffTTUUT11D第3章 直流/直流变换器电感电流断续(1)第3章 直流/直流变换器电感电流临界连续(1)当电感电流连续临界电流值，即有负载最小电流（因为Toff期间负载才有电流）ILbmin = 0min1 12GoLboffsIII TTmaxiLbLbsbUIID TL (1)2isGbU TIDDL第3章 直流/直流变换器平均输入电流：oiiPIU峰值电流：2LbQPiIII电压应力：ceoUU功率晶体管ICM 2IQPU(BR)ceo 2Uo功率晶体管元器件选择和设计第3章 直流/直流变换器有效值电流近

17、似值：电压应力：DoUU平均电流：二极管1DiIID1DrmsiIIDUBR 2Uo第3章 直流/直流变换器电感量：升压电感min(1)2isoGbU TIIDDL临界连续输出电流：min(1)2isboU TLDDI2min(1)2osboU TLDDIUo恒定Ui恒定min1 12GoLboffsIII TT第3章 直流/直流变换器电容量：滤波电容onooLdfTUUR C输出电压纹波：电容放电电容充电%ooUU2100100ofsLdsoDPDCfRfU第3章 直流/直流变换器讨论例题5-2：设计Boost变换器，电源电压Vs=10-30V，最大输出功率100w，负载最大电流2.08A，最小输出功率10W，最小负载电流0.208A，开关频率40kHz。要求输出恒值电压Vo=48V；纹波小于1%，且最小负载时电感电流连续。试确定L、C、开关管T和二极管D。提问：课后习题1-3、5-842第3章 直流/直流变换器电感电流临界连续(1)当电感电流连续临界电流值，即有负载最小电流（因为Toff期间负载才有电流）ILbmin =