电力电子第三章第八讲

1、3.1.1 buck3.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构DC-DC变换电路中的储能元件储能元件（电容、电感）有滤波滤波与能量缓冲能量缓冲两种基本功能：u滤波元件滤波元件常设置在变换器电路的输入或输出输入或输出u能量缓冲元件能量缓冲元件常设置在变换器电路的中间中间3.1.1 buck3.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 针对 图3-2c （图3-2d）所示的DC-DC电压（电流）变换电路u输入侧为恒压（恒流）源输入侧为恒压（恒流）源，因此电路输入侧无需滤波电电路输入侧无需滤波电容（电感）容（电感）u电路的输出侧输

2、出侧则由于脉动脉动而需要滤波。需要滤波。即图3-2c所示的电容C，图3-2d所示的电感L均起滤波作用。电压变换器与电流变换器是互补的结构3.1.1 buck3.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 一般将上述所加入的 如图3-2 c）中的缓冲电感和续流二缓冲电感和续流二极管组成的电路极管组成的电路 或 如图3-2 d）中的缓冲电容和钳位二极缓冲电容和钳位二极管组成的电路管组成的电路统称为缓冲电路缓冲电路（或缓冲单元） 3.1.2 boost3.1.2 boost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构以上讨论了buck型变换器的构建，那么

3、如何实现升压型（boost）的电压变换和升流型（boost）的电流变换呢？ 若考虑变换器输入、输出能量的不变性输入、输出能量的不变性（忽略电路及元件的损耗），则buck型电压变换器在完成降压降压变换的同时同时也完成了升流升流（boost）变换。同理buck型电流变换器在完成降流降流变换的同时同时也完成了升压升压（boost）变换。 boost型电压变换和buck型电流变换以及boost型电流变换和buck型电压变换存在功功能上的对偶性能上的对偶性。若已知某种升（降）压电压变换器电路则相应的降（升）流电流变换器电路可以利用对偶原理对偶原理求出 3.1.2 boost3.1.2 boost型型 D

4、C-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 从图3-2c所示的buck型电压变换器电路出发，便可以导出boost型电流变换器电路 1)将输入电压源转化为电流源将输入电压源转化为电流源当变换器电路中开关管的开关管频率足够高时，图3-2c所示的buck型电压变换器电路中的输入电压源支路电压源支路可以用 并联并联电容的电流源电容的电流源 （Ci、Ii） 支路支路取代取代，如图3-3b所示 3.1.2 boost3.1.2 boost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 2) 若令变换器电路中的开关管、二极管、电容、电感均为理想无损元件时，则图3-3b所示电路的输入功率等

5、于输出功率即：Ui* IiUo*Io。由于该变换器电路的降压变换功能，使UoUi ，因此，IoIi boost型电流变换器电路 Uo Io 3.1.2 boost3.1.2 boost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 3)考虑到3-3b所示电路中滤波电感L的稳流作用以及该电路的电流电流变换功能，因此，输出滤波电容C是冗余元件，可以省略。 结构简化后的boost型电流变换器电路如图3-3d所示 从图3-2d所示的buck型电流变换器电路出发，便可以导出boost型电压变换器 1）将输入电流源转化为电压源将输入电流源转化为电压源 当假设变换器电路中开关管的开关频率（单位时

6、间内开关管的通断次数）足够高时，图3-2d所示的buck型电流变换器电路中的输入电流源支路电流源支路可以用串联电感的电压源（串联电感的电压源（Li、Ui）支路支路取代，如图3-3a所示 3.1.2 boost3.1.2 boost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 3.1.2 boost3.1.2 boost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构2）若令变换器电路中的开关管、二极管、电容、电感均为理想无损元件时，则图3-3a所示电路的输入功率应等于其输出功率，即ui* iiuo*io 。由于该变换器电路的buck型变换功能，使IoIi ，因此，uou

7、i boost型电压变换器电路 Io Uo3.1.2 boost3.1.2 boost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构3)考虑到3-3a所示电路中滤波电容C的稳压作用以及该电路的电压电压变换功能，因此，输出滤波电感L是冗余元件，可以省略。 结构简化后的boost型电压变换器电路如图3-3c所示。3.1.3boost-buck3.1.3boost-buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 以上构建了buck型、boost型变换器电路，那么如何在buck型、boost型变换器电路基础上构建boost-buck （升-降）型或buck-boost

8、（降-升）型变换器呢？ 只要将buck型、boost型变换器电路相互串联串联并进行适当化简化简，即可构建boost-buck型或buck-boost型变换器 3.1.3boost-buck3.1.3boost-buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 构建boost-buck型电压变换器电路，可以考虑采用boost-buck串联结构 ：u 输入级输入级采用图3-3c所示的boost型电压型电压变换器电路u 输出级输出级采用图3-2c所示的buck型电压型电压变换器电路u 将boost型电压变换器电路的输出输出与buck型电压变换器电路的输入串联输入串联，串联时：输入级

9、boost型电压变换器电路的输出负载省略输出负载省略，而输出级buck型电压变换器电路的输输入电压源省略入电压源省略，串联后的电压变换器电路如图3-4a所示 + 3.1.3boost-buck3.1.3boost-buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 图3-4a所示的boost-buck串联结构电路中，由于存在两只开关管和两只二极管两只开关管和两只二极管，因而有必要省略冗余元件省略冗余元件以使电路简化 若假设两电路串联后的开关管VT1、VT2为同步斩波同步斩波开关管开关管，即开关管VT1、VT2同时通、断同时通、断，则有可能使电路得以进一步简化 3.1.3boos

10、t-buck3.1.3boost-buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 当开关管 VT1、VT2 导通时，所构成的两个独立的电流回路拓扑如图3-4b所示 当开关管VT1、VT2关断时，所构成的两个独立的电流回路拓扑如图3-4c所示3.1.3boost-buck3.1.3boost-buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 具体简化步骤 当开关管 VT1、VT2 导通时，所构成的两个独立的电流回路拓扑如图3-4b所示观察图3-4b所构成的两个独立的 电流回路 (开关管VT1、VT2导通)，并将VT1、VT2合并为VT1、2，所得等效电路如图

11、3-4d所示3.1.3boost-buck3.1.3boost-buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构当开关管VT1、VT2关断时，所构成的两个独立的电流回路拓扑如图3-4c所示观察图3-4c所构成的两个独立的电流回路(开关管VT1、VT2关断)，并将VD1、VD2合并为VD1、2，所得等效电路如图3-4e所示3.1.3boost-buck3.1.3boost-buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构综合分析图3-4d、3-4e所示等效电路 ， 并使所得变换器电路的输入输出有公共电位参考输入输出有公共电位参考点点，简化后的基于boost-b

12、uck串联结构的boost-buck电压变换器电路如图3-4f所示 ( 需要注意：图3-4f所示的boost-buck电压变换器，虽然其电路结构得到了简化，但是变换器输入输出电压的极性则由原来的同向极性变为同向极性变为反向极反向极性性)由于是Slobodan Cuk 于1980年首次深入研究了boost-buck串联结构的变换器，因此，通常称boost-buck电压变换器为Cuk变换器变换器 3.1.3boost-buck3.1.3boost-buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 针对Cuk变换器输入输出电压反向极性的不足，将Cuk变换器的输出环节或输出环节加以改

13、造，可以得到输入输出电压同向极输入输出电压同向极性性的boost-buck型电压变换器，即所谓的Sepic变变换器换器和Zeta变换器变换器，如图3-5所示 Sepic变换器Zeta变换器3.1.3boost-buck3.1.3boost-buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构a) Sepic斩波电路Sepic电路原理V通态，EL1V回路和C1VL2回路同时导电，L1和L2贮能。V断态，EL1C1VD负载负载回路及L2VD负载负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电（C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移）。3.1.3boost-buck3.1

14、.3boost-buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能。E和C1共同向负载供电，并向C2充电。V关断后，L1的能量转移至C1。同时C2向负载供电，L2的电流经VD续流。输入输出关系：相同的输入输出关系。Sepic电路的电源电流和负载电流均连续，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。两种电路输出电压为正极性的。 b) Zeta斩波电路 3.1.4buck3.1.4buckboosboost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 构建buckboost型电压变换器，可以考虑采用buckboost串联 :u

15、 输入级采用图3-2c所示的buck型电压变换器电路u 输出级则采用图3-3c所示的boost型电压变换器电路u 将buck型电压变换器电路的输出与boost型电压变换器电路的输入串联。串联时：输入级buck型电压变换器电路的输出负载省略，而输出级boost型电压变换器电路的输入电压源省略，两级变换器串联后的电路如图3-6a所示 + 3.1.4buck3.1.4buckboostboost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 图3-6a所示的buckboost串联结构电路中，由于存在两只开关管和两只两只开关管和两只二极管二极管，因而有必要省略省略冗余元件冗余元件以简化电路

16、 同上分析，若假设两电路串联后的开关管VT1、VT2为同步斩波开关管同步斩波开关管，即开关管VT1、VT2同时通、断，则有可能使电路得以进一步简化 3.1.4buck3.1.4buckboosboost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 具体简化步骤 首先将图3-6a中VT1、VT2之间的T型储能网络中的电容省略，并合并L1、L2为L12，如图3-6b所示 合并后的VT1、VT2之间的储能电感L12仍能使串联后的两级电压变换器电路正常工作 3.1.4buck3.1.4buckboosboost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 当开关管VT1、V

17、T2导通时，所构成的两个独立的电流回路拓扑如图3-6c所示 当开关管VT1、VT2关断时，所构成的两个独立的电流回路拓扑如图3-6e所示3.1.4buck3.1.4buckboosboost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 当开关管VT1、VT2导通时，所构成的两个独立的电流回路拓扑如图3-6c所示 观察图3-6c所构成的两个独立的电流回路(开关管VT1、VT2导通)，并将VT1、VT2合并为VT12，所得等效电路如图3-6d所示；VT12 当开关管VT1、VT2关断时，所构成的两个独立的电流回路拓扑如图3-6e所示 观察图3-6e所构成的两个独立的电流回路(开关管V

18、T1、VT2关断)，并将VD1、VD2合并为VD12，所得等效电路如图3-6f所示 VD12C23.1.4buck3.1.4buckboosboost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构3.1.4buck3.1.4buckboosboost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 综合分析图3-6d、3-6f所示等效电路，并使所得变换器电路的输入输出有公共电位参考点公共电位参考点，因此，简化后的基于buck-boost串联结构的buck-boost电压变换器电路如图3-6g所示 (需要注意：图3-6g所示的buck-boost电压变换器，虽然其电路结构得

19、到了简化，但是变换器输入输出电压的极性则由原来的同向极性变为同向极性变为反向极性反向极性)3.1.4buck3.1.4buckboostboost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 对比图3-4f、3-6g所示的boost-buck型电压变换器和buck-boost型电压变换器电路可以看出?u 两者的输入输出电压极性均为反均为反向极性向极性u 相对于boost-buck型电压变换器电路，buck-boost型电压变换器电路结构简单结构简单，并且其中的储能元储能元件件也较少较少u buck-boost型电压变换器的输入和二极管输出电流均为断续的脉动断续的脉动电流电流;而b

20、oost-buck型电压变换器中由于输入输出均有电感，因此变换器的输入输出电流一般情况变换器的输入输出电流一般情况下均为连续电流下均为连续电流（轻载时电流可能断续）boost-buck型电压变换器buck-boost型电压变换器3.2 DC-DC3.2 DC-DC变换器换流及其特性分析变换器换流及其特性分析问题的提出 在讨论了如何根据输入输出的变换要求来构建DC-DC变换器的基本电路之后，那么在实际应用中如何根据具体的DC-DC变换器电路来分析其基本换流过程以及基本的输入输出关系呢？ (说明：1.考虑到实际应用及电流变换器和电压变换器的对偶关系，以下主要研究DC-DC电压变换器电压变换器，分别

21、简称为buck变换器、boost变换器、buck-boost变换器、boost-buck变换器 2.各DC-DC变换器的开关调制均采用PWM控制控制 ）？3.2 DC-DC3.2 DC-DC变换器换流及其特性分析变换器换流及其特性分析 为简化各类DC-DC变换器的基本特性分析，所讨论的变换器均为理想变换器理想变换器，且满足以下理想条件： 1)开关管、二极管瞬间通断瞬间通断，且无通态和开关损耗无通态和开关损耗 2)电容、电感均为无损耗的理想储能元件无损耗的理想储能元件 3)线路阻抗为零线路阻抗为零 4)开关频率足够高，每个开关周期中的电感电流、电容电每个开关周期中的电感电流、电容电压近似不变压近

22、似不变3.2.13.2.1开关变换器中电容、电感的基本特性开关变换器中电容、电感的基本特性 根据开关变换器的理想条件： 每个开关周期Ts中（ Ts= ton+toff ，其中：Ts为开关周期；ton为开关导通时间；toff为开关关断时间），变换器中的电感电流、电容电压保持恒定，且无任何损耗 可得开关变换器中电容、电感的基本特性： 提示：对于电容有iC=CduC/dt uC =(1/C)iCdt 对于电感有uL=LdiL/dt iL =(1/L)uLdt 3.2.13.2.1开关变换器中电容、电感的基本特性开关变换器中电容、电感的基本特性 (1)电感电压的电感电压的伏秒平衡特性伏秒平衡特性 稳态

23、条件稳态条件下，理想开关变换器中的电感电压必然周期性重电感电压必然周期性重复复，由于每个开关周期中电感的储能为零每个开关周期中电感的储能为零，并且电感电流电感电流保持恒定保持恒定I=0，因此，每个开关周期中电感电压UL的积的积分恒为零分恒为零，即：即： 0dtdtdt00TstLtLTsLononuuu3.2.13.2.1开关变换器中电容、电感的基本特性开关变换器中电容、电感的基本特性 (2)电容电流的电容电流的安秒平衡特性安秒平衡特性 稳态条件稳态条件下，理想开关变换器中的电容电流必然周期性重电容电流必然周期性重复复，而，而每个开关周期中电容的储能为零每个开关周期中电容的储能为零，并且电容电

24、压保电容电压保持恒定持恒定U=0，因此，每个开关周期中电容电流IC的积分恒为零，即： 0dtdtdtc0c0cTsttTsononiii3.2.2 buck3.2.2 buck变换器换流及其特性分析变换器换流及其特性分析 -3.2.2.1 buck-3.2.2.1 buck变换器的换流状态变换器的换流状态 buck变换器的电路结构如图3-7a所示，根据其中开关管和二极管不同的通断组合，可形成不同的换流状态，buck变换器不同换流状态时的换流电路如图3-7所示 图3-7b所示开关状态1时的换流电路开关管VT导通时，二极管VD承受反压而关断，此时，输入电源通过电感L向负载传输能量，因此iL增加，从

25、而使电感L中的磁能亦增加 3.2.2.1 buck3.2.2.1 buck变换器的换流状态变换器的换流状态 图3-7c所示开关状态2 时的换流电路 开关管VT关断，由于电感电流不能突变，从而使二极管VD导通，而续流电感L向负载释放能量， iL减少 图3-7d所示开关状态3时的换流电路 与电流连续时情况不同，当电感L电流衰减到零以前，若开关管VT还未导通，则电感电流断续，此时，开关管VT、二极管VD全都关断，并仅由电容向负载提供能量 3.2.2.1 buck3.2.2.1 buck变换器的换流状态变换器的换流状态电路工作状态的定义注意：所谓“电流的连续或断续”是指变换器缓冲元件指变换器缓冲元件中

26、电流的连续或断续中电流的连续或断续。如图3-7 所示buck变换器中的缓冲元件为电感L，因此讨论buck变换器的电流连续或断续工作状态是针对其中的电感针对其中的电感L而言而言的u当电感电流iL 0时，buck变换器工作在电流连续状态u当一段时间中存在iL0，则buck变换器工作在电流断续状态u若只有一瞬时时刻存在iL0，则buck变换器工作在临界状态(临界状态是电流连续状态的一种特例) 3.2.2.1 buck3.2.2.1 buck变换器的换流状态变换器的换流状态buck变换器中电感电流连续电感电流连续时的相关波形如图3-7e所示 3.2.2.1 buck3.2.2.1 buck变换器的换流

27、状态变换器的换流状态 buck变换器中电感电流断续电感电流断续 时的相关波形如图3-7f所示 3.2.2.2 3.2.2.2 电流连续时的电流连续时的buckbuck变换器变换器 基本特性分析基本特性分析1稳态电压增益GV buck变换器的稳态电压增益是指：稳态条件下，变换器输出平均电压Uo与输入平均电压Ui的比值，即GVUo/Ui 由于buck变换器中的缓冲元件是电感L，因此对电感L利用 伏秒平衡特性伏秒平衡特性进行分析得出 式（3-3） 令PWM占空比D= ton/ Ts，则从上式可求出buck变换器的电感电流连续时的稳态电压增益GV ioonoson()()UU TU Tt-=- 由于D

28、1，即buck变换器的稳态电压增益GV1，因此buck变换器具有降压变换特性 由于buck变换器的稳态输出平均电压与占空比D成正比，因此，buck变换器的稳态输出平均电压可由占空比D控制 oonVisUtGDUT=式（3-4） 3.2.2.2 3.2.2.2 电流连续时的电流连续时的buckbuck变换器变换器 基本特性分析基本特性分析3稳态电感电流脉动量 由于有限的电感和有限的开关频率稳态条件下，buck变换器的电感电流实际上是脉动的，如图3-7e所示 当t0时，开关管VT导通，若电容C足够大，此时，电容电压近似不变，而电感电流iL线性增加 3.2.2.2 3.2.2.2 电流连续时的电流连

29、续时的buckbuck变换器变换器 基本特性分析基本特性分析 当tD Tston时，电感电流iL增加至最大值ILmax。根据电感的电压、电流关系即uL=LdiL/dtLiL/t，容易导出t0ton期间（开关管VT导通）的电流增量iL为 LDTUUtLUUisoionoiL)(式（3-6） 3.2.2.2 3.2.2.2 电流连续时的电流连续时的buckbuck变换器变换器 基本特性分析基本特性分析 当tton时，开关管VT关断若电感L、电容C足够大，此时，电容电压近似不变，而电感电流iL线性减小 当tTs时，电感电流iL减小至最小值ILmin。ttonTs期间（开关管VT关断）的电流增量iL-为 式（3-7）LTDUtTLUisoonsoL)