第二章 直流-直流变换电路

1、电力电子技术电力电子技术第二章第二章 直流直流直流变换电路直流变换电路 2.1 2.1 概述概述o 直流直流直流变换电路及功能直流变换电路及功能 直流直流（直流直流（DCDCDCDC）变换电路是将一组电参数的直流电）变换电路是将一组电参数的直流电能变换为另一组电参数的直流电能的电路，功能包括：能变换为另一组电参数的直流电能的电路，功能包括： n 直流电幅值变换直流电幅值变换n 直流电极性变换直流电极性变换 2.1 2.1 概述概述o 无变压器隔离基本变换器无变压器隔离基本变换器n 降压式变换降压式变换器器（Buck Converter）n 升压式变换升压式变换器器（Boost Converte

2、r)n 升降压式变换升降压式变换器器（Buck-Boost Converter ）n 库克变换库克变换器器（Cuk Converter ）n Sepic变换变换器器( (Sepic Converter) )n Zeta变换变换器器( (Zeta Converter) )2.1 2.1 概述概述o 变压器隔离基本变换器变压器隔离基本变换器n 正激式变换器正激式变换器( (Forward Converter) )n 反激式变换器反激式变换器( (Flyback Converter) )n 半桥式变换器半桥式变换器( (Half-Bridge Converter) )n 桥式变换器桥式变换器( (B

3、ridge Converter) )n 推挽变换器推挽变换器（Push-Pull converter) )2.1 2.1 概述概述o 开关调压的基本原理开关调压的基本原理 输出平均电压：输出平均电压：donoavUTtU 2.1 2.1 概述概述o占空比的定义占空比的定义 开关接通的占空比定义为开关接通的占空比定义为： 其中：其中：ton为开关导通时间，为开关导通时间，T为开关周期为开关周期。o脉冲宽度调制脉冲宽度调制（PWM） 所谓脉冲宽度调制的方法是一种在整个工作过程中，开关所谓脉冲宽度调制的方法是一种在整个工作过程中，开关频率不变，而开关接通的时间按照要求变化的方法。频率不变，而开关接通

4、的时间按照要求变化的方法。o脉冲频率调制脉冲频率调制（PFM） 所谓脉冲频率调制的方法是一种在整个工作过程中，开关所谓脉冲频率调制的方法是一种在整个工作过程中，开关接通的时间不变，而开关频率按照要求变化的方法。接通的时间不变，而开关频率按照要求变化的方法。TtDon 2.2 降压式变换器降压式变换器（Buck Converter）oBuck电路基本结构电路基本结构o 等效的电路模型及直流变换器基本规律等效的电路模型及直流变换器基本规律n 电感电感L和电容和电容C 组成低通滤波器，输出电压组成低通滤波器，输出电压uo就是就是us(t) 的直流分量的直流分量Uo再附加微小纹波再附加微小纹波urip

5、ple(t) 。 有：有： 小纹波近似原理小纹波近似原理orippleoo)(UtuUu 2.2 降压式变换器降压式变换器（Buck Converter）n 一个开关周期内电容包含充电和放电两个过程，稳态时一个开关周期内电容包含充电和放电两个过程，稳态时电路达到稳定平衡，电容上平均电压维持不变电路达到稳定平衡，电容上平均电压维持不变 一个开关周期内电容充放电平衡。一个开关周期内电容充放电平衡。2.2 降压式变换器降压式变换器（Buck Converter）n 开关开关S S置于置于1 1位时（位时（t1) )，电感电流增加（，电感电流增加（I1) ) ，电感储，电感储 能；而当开关能；而当开关

6、S S置于置于2 2位时（位时（t2) ) ，电感电流减小（，电感电流减小（I2) )， 电感释能。稳态状况下一个开周期内电感平均磁链维持不变。电感释能。稳态状况下一个开周期内电感平均磁链维持不变。n 电流平均增量为零（电流平均增量为零（ ）或磁链平均增量为零）或磁链平均增量为零 一个开关周期内一个开关周期内电感伏秒平衡。电感伏秒平衡。021 ii0)()(22L1L1 tutu2.2 降压式变换器降压式变换器（Buck Converter）o 电感电流连续模式电感电流连续模式（CCM）下稳态工作波形分析下稳态工作波形分析分析过程假定：分析过程假定：（1 1）忽略器件开关时间）忽略器件开关时间

7、（2 2）忽略元器件工作损耗和寄生参数影响）忽略元器件工作损耗和寄生参数影响（3 3）忽略电路的分布参数影响）忽略电路的分布参数影响（4 4）输入为理想直流电源，忽略内阻、纹波、电压波动）输入为理想直流电源，忽略内阻、纹波、电压波动 假定条件是对实际电路的一种简化与近似，实际电路通过假定条件是对实际电路的一种简化与近似，实际电路通过合理的工艺设计，其工作状态一般接近于假定的状态。合理的工艺设计，其工作状态一般接近于假定的状态。 约定：小写字母表示瞬时值，大写字母表示直流约定：小写字母表示瞬时值，大写字母表示直流2.2 降压式变换器降压式变换器（Buck Converter）n晶体管导通状态晶体

8、管导通状态（0 t t1） VT开通开通、VD关断关断， Ud恒定，恒定，有：有： （小纹波近似）小纹波近似） 则：则： 基本恒定，电流线性变化基本恒定，电流线性变化有：有： （io恒定，恒定，iC与与iL同斜率）同斜率）DTLUUtLUUI)()(od1odL1 LVTii RUiiiioLoLC tiLuUuddLodL 0VT uoo)(Utu ododLUUuUu 2.2 降压式变换器降压式变换器（Buck Converter）n 二极管导通模式二极管导通模式（t1 t t2=T ） VT关断，电感续流关断，电感续流VD导通导通, ,有：有： 输出电流线性减小，有：输出电流线性减小，有

9、： tiLUuddLoL 12L2LoddttILtiLU LTDUIL)1(o2 0VT iRUiiiioLoLC （io恒定，恒定，iC与与iL同斜率同斜率) )dVTUu oo)(Utu 2.2 降压式变换器降压式变换器（Buck Converter）Buck电路工作波形(CCM状态)o 电感电流连续模式电感电流连续模式（CCM）下工作参数分析下工作参数分析 由稳态时电感伏秒平衡的规律，得：由稳态时电感伏秒平衡的规律，得： 忽略电路工作产生的损耗，输入输出能量守恒，有：忽略电路工作产生的损耗，输入输出能量守恒，有： 其中：其中：Iin为输入平均电流（直流电流），为输入平均电流（直流电流）

10、，Io为输出直流电流，为输出直流电流， D为占空比为占空比 ，Ud为输入直流电压，为输入直流电压，Uo 为输出直为输出直流电压流电压 0)1()(ood TDUDTUUooindIUIU oinDII doDUU 2.2 降压式变换器降压式变换器（Buck Converter）o 电感电流连续模式电感电流连续模式（CCM）下工作参数分析下工作参数分析 考虑到稳态工作时电感伏秒平衡的特点，电感充放电过程考虑到稳态工作时电感伏秒平衡的特点，电感充放电过程电流波动值相等，依据前面的分析，电感电流脉动峰峰值为：电流波动值相等，依据前面的分析，电感电流脉动峰峰值为： 考虑到输出电压脉动很小，有考虑到输出

11、电压脉动很小，有 iL iC，且有一周期内电且有一周期内电容充放电平衡，根据容充放电平衡，根据ic波形，电容充电电荷波形，电容充电电荷 Q为为 电容纹波峰峰值为：电容纹波峰峰值为：fLDUDDTLDUIIddL1LPP)1()1( fITIQ8212121LL 2dCPPOPP8)1(2LCfDDUCQuUU 2.2 降压式变换器降压式变换器（Buck Converter）输出电容电压、电流波形输出电容电压、电流波形LPPL21Ii 2.2 降压式变换器降压式变换器（Buck Converter）o 电感电流断续工作模式（电感电流断续工作模式（DCM模式）简介模式）简介II21o 电感电流临界

12、连续导通状态 电感电流断续状态对于CCM状态对于DCM状态II21o2.2 降压式变换器降压式变换器（Buck Converter） 利用利用Buck电路设计一开关电源，电路工作于电感电流电路设计一开关电源，电路工作于电感电流连续状态，设计指标如下：连续状态，设计指标如下：（1 1）输入电压）输入电压30V，（2）输出电压）输出电压10V，（3）输出纹波峰峰值不大于）输出纹波峰峰值不大于100 mV，（4）输出电流最大）输出电流最大1A，最小，最小100mA，（5 5）电源开关频率）电源开关频率100kHz, , 计算电路相关参数？计算电路相关参数？课堂思考课堂思考电路参数设计目标电路参数设计

13、目标：（1 1）电感参数设计，需得到电感量与最大峰值电流两个参数）电感参数设计，需得到电感量与最大峰值电流两个参数 （2 2）电容参数设计，需得到电容量与额定电压两个参数）电容参数设计，需得到电容量与额定电压两个参数（3 3）MOSFETMOSFET开关管选择，需得到额定电流额定电压两个参数开关管选择，需得到额定电流额定电压两个参数（4 4）二极管选择，需得到额定电流额定电压两个参数）二极管选择，需得到额定电流额定电压两个参数设计方法设计方法设计方法设计方法（1 1）由输入输出电压关系，计算）由输入输出电压关系，计算D（2 2）计算计算电感参数电感参数 Buck变换器电感电流平均值即为输出直流

14、值，当输出最小变换器电感电流平均值即为输出直流值，当输出最小电流时，电感电流应至少处于电感电流临界连续才能维持整个电流时，电感电流应至少处于电感电流临界连续才能维持整个工作范围电感电流连续。电感电流临界连续时，有：工作范围电感电流连续。电感电流临界连续时，有： 由由 33. 0do UUDLomin21II A2 . 0L IfLDUDIdL)1( mH33. 0H00033. 0 L设计方法设计方法 电感电感峰值电流电感电感峰值电流（3 3）计算电容参数）计算电容参数 由输出纹波要求，由输出纹波要求， 实际可选取电容量为实际可选取电容量为3.3F以上以上 电容工作时承受最高电压为电容工作时承

15、受最高电压为10V，可选额定电压为，可选额定电压为16V以上以上（4 4）计算）计算MOS管的额定电流、额定电压管的额定电流、额定电压 由工作波形确定由工作波形确定 实际可选取参数：实际可选取参数： 额定电流额定电流 1.5A以上以上 额定电压额定电压 50V以上以上2dOPP8)1(LCfDDUU F105 . 26 CA1 . 121LomaxLmax IIIA57. 0omaxVTrmsmax DIIV30VTmax UIoDT设计方法设计方法（5 5）计算二极管额定电压、额定电流）计算二极管额定电压、额定电流 与计算与计算MOS管电流类似，管电流类似， 二极管额定电流二极管额定电流 由

16、工作波形可以确定，二极管承受最高电压为由工作波形可以确定，二极管承受最高电压为30V 实际可选二极管参数：实际可选二极管参数： 额定电流额定电流1A以上以上 额定电压额定电压60V以上以上 选择快恢复二极管选择快恢复二极管A82. 01omaxVDrmsmax DIIA52. 057. 182. 0F(AV) Io Boost电路基本结构电路基本结构2.3 升压式变换器升压式变换器（Boost Converter） o 电感电流连续模式电感电流连续模式（CCM）下工作波形分析下工作波形分析n晶体管导通状态晶体管导通状态（0 t t1=DT） VT开通、开通、VD关断，有：关断，有： 0VT u

17、LVTii RURtuiooC)( DTILtiLUuL1LdLdd 2.3 升压式变换器（升压式变换器（Boost Converter） n 二极管二极管VD导通模式（导通模式（t1 t t2=T ） VT关断，电感续流，关断，电感续流，VD导通，有：导通，有： 考虑电感伏秒平衡，电感电流为下降曲线。考虑电感伏秒平衡，电感电流为下降曲线。 （斜率与电感电流相同）（斜率与电感电流相同）RUiiiioLoLC 0VT ioVTUu TDILtiLUUu)-(1ddL2LodL 2.3 升压式变换器（升压式变换器（Boost Converter） 2.3 升压式变换器（升压式变换器（Boost C

18、onverter）n 电感电流连续模式（电感电流连续模式（CCM）工作参数分析）工作参数分析 电感伏秒平衡，电感伏秒平衡，有：有： 忽略电路工作产生的损耗，输入输出能量守恒，有：忽略电路工作产生的损耗，输入输出能量守恒，有： 0)1)(dod DTUTDUUdo11UDU ooindIUIU oin11IDI n 电感电流连续模式（电感电流连续模式（CCM）工作参数分析）工作参数分析 考虑到稳态工作时电感伏秒平衡的特点，电感充放电过考虑到稳态工作时电感伏秒平衡的特点，电感充放电过 程电流波动值相等，晶体管导通时有：程电流波动值相等，晶体管导通时有： 输出电压脉动很小，输出电压脉动很小，一个周期

19、内电容充放电平衡，根据一个周期内电容充放电平衡，根据ic波波 形，形， Q的时间为的时间为DT，则输出纹波峰峰值为：，则输出纹波峰峰值为：fLDUtLUIId1dL1LPP fCDICDTItiCUUtoo0cCPPOPPd11 2.3 升压式变换器（升压式变换器（Boost Converter） 利用利用Boost电路设计以开关电源，电路工作于电感电流电路设计以开关电源，电路工作于电感电流连续状态，设计指标如下：连续状态，设计指标如下：（1 1）输入电压）输入电压10V，（2）输出电压）输出电压30V，（3）输出纹波峰峰值不大于）输出纹波峰峰值不大于300 mV，（4）输出电流最大）输出电流

20、最大1A，最小，最小100mA，（5 5）电源开关频率）电源开关频率100kHz, , 计算电路相关参数？计算电路相关参数？课堂思考课堂思考电路参数设计目标电路参数设计目标：（1 1）电感参数设计，需得到电感量与最大峰值电流两个参数）电感参数设计，需得到电感量与最大峰值电流两个参数 （2 2）电容参数设计，需得到电容量与额定电压两个参数）电容参数设计，需得到电容量与额定电压两个参数（3 3）MOSFETMOSFET开关管选择，需得到额定电流额定电压两个参数开关管选择，需得到额定电流额定电压两个参数（4 4）二极管选择，需得到额定电流额定电压两个参数）二极管选择，需得到额定电流额定电压两个参数设

21、计方法设计方法设计方法设计方法（1 1）由输入输出电压关系，计算）由输入输出电压关系，计算D（2 2）计算计算电感参数电感参数 Boost变换器电感电流平均值即为输入直流值，当输出最变换器电感电流平均值即为输入直流值，当输出最小电流时，电感电流应至少处于电感电流临界连续才能维持整小电流时，电感电流应至少处于电感电流临界连续才能维持整个工作范围电感电流连续。电感电流临界连续时，有：个工作范围电感电流连续。电感电流临界连续时，有： 由由 67. 01od UUDLinmin21II A6 . 0L IfLDUIdL mH11. 0H00011. 0 LA3 . 011omininmin IDI设计

22、方法设计方法 电感电感峰值电流电感电感峰值电流（3 3）计算电容参数）计算电容参数 由输出纹波要求，由输出纹波要求， 实际可选取电容量为实际可选取电容量为22F以上以上 电容工作时承受最高电压为电容工作时承受最高电压为30V，可选额定电压为，可选额定电压为50V以上以上（4 4）计算）计算MOS管的额定电流、额定电压管的额定电流、额定电压 由工作波形确定由工作波形确定 实际可选取参数：实际可选取参数： 额定电流额定电流 5A以上以上 额定电压额定电压 50V以上以上CfDIUomaxOPP F102 .116 CA3 . 321-121LomaxLinmaxLmax IDIIIIA5 . 2i

23、nmaxVTrmsmax DIIV30VTmax UIoDT设计方法设计方法（5 5）计算二极管额定电压、额定电流）计算二极管额定电压、额定电流 与计算与计算MOS管电流类似，管电流类似， 二极管额定电流二极管额定电流 由工作波形可以确定，二极管承受最高电压为由工作波形可以确定，二极管承受最高电压为30V 实际可选二极管参数：实际可选二极管参数： 额定电流额定电流2A以上以上 额定电压额定电压60V以上以上 选择快恢复二极管选择快恢复二极管A72. 11inmaxVDrmsmax DIIA1 . 157. 172. 1F(AV) Io Buck-Boost电路基本结构电路基本结构2.4 升降压

24、变换器升降压变换器（Buck-Boost converter） o 电感电流连续模式（电感电流连续模式（CCM）工作波形分析）工作波形分析n 晶体管导通状态晶体管导通状态（0t t1=DT） VT开通、开通、VD关断，有：关断，有： RURtuiooC)( 0VT uLVTii DTILtiLUuL1LdLdd 2.4 升降压变换器升降压变换器（Buck-Boost converter）n 二极管二极管VD导通模式（导通模式（t1 t t2=T ） VT关断，电感续流，关断，电感续流，VD导通，有：导通，有： iL线性减小，电流为下降曲线线性减小，电流为下降曲线 （斜率与电感电流相同）（斜率与

25、电感电流相同）RUiiiioLoLC 0VT idoVTUUu oL2LoL)1(ddUTDILtiLuu 2.4 升降压变换器升降压变换器（Buck-Boost converter）2.4 升降压变换器升降压变换器（Buck-Boost converter）o 电感电流连续模式（电感电流连续模式（CCM）工作参数分析）工作参数分析 电感伏秒平衡，电感伏秒平衡，有：有： 忽略电路工作产生的损耗，输入输出能量守恒，则有：忽略电路工作产生的损耗，输入输出能量守恒，则有：0)1(do DTUTDUdo1UDDU ooindIUIU oin1IDDI o 电感电流连续模式（电感电流连续模式（CCM）工

26、作参数分析）工作参数分析 稳态工作时电感伏秒平衡，有：稳态工作时电感伏秒平衡，有： 输出电压脉动很小，输出电压脉动很小，一周期内电容充放电平衡，根据一周期内电容充放电平衡，根据 ic 波形，波形， Q的时间为的时间为DT，则输出纹波峰峰值为：，则输出纹波峰峰值为：fLDUDTLUIIddL1LPP fCDICDTItiCUUtoo0cCPPOPPd11 2.4 升降压变换器升降压变换器（Buck-Boost converter） 利用利用Buck-boost电路设计一电源，电路工作于电感电流电路设计一电源，电路工作于电感电流连续状态，设计指标如下：连续状态，设计指标如下：（1 1）输入电压）输

27、入电压15V，（2）输出电压）输出电压10V30V，（3）输出纹波峰峰值不大于）输出纹波峰峰值不大于100 mV，（4）输出电流最大）输出电流最大1A，最小，最小100mA，（5 5）电源开关频率）电源开关频率100kHz 计算电路相关参数？计算电路相关参数？课堂思考课堂思考电路参数设计目标电路参数设计目标：（1 1）电感参数设计，需得到电感量与最大峰值电流两个参数）电感参数设计，需得到电感量与最大峰值电流两个参数 （2 2）电容参数设计，需得到电容量与额定电压两个参数）电容参数设计，需得到电容量与额定电压两个参数（3 3）MOSFETMOSFET开关管选择，需得到额定电流额定电压两个参数开关

28、管选择，需得到额定电流额定电压两个参数（4 4）二极管选择，需得到额定电流额定电压两个参数）二极管选择，需得到额定电流额定电压两个参数设计方法设计方法设计方法设计方法（1 1）输出功率最小时，电感电流平均值最小。由输入输出电压）输出功率最小时，电感电流平均值最小。由输入输出电压 关系，计算关系，计算D（2 2）计算计算电感参数电感参数 Buck-Boost变换器二极管电流平均值即为输出直流值，二变换器二极管电流平均值即为输出直流值，二极管电流波形即为电感在极管电流波形即为电感在( (1-D) )T时段的波形组成，当输出最小时段的波形组成，当输出最小电流时，电感电流应至少处于电感电流临界连续才能

29、维持整电流时，电感电流应至少处于电感电流临界连续才能维持整个工作范围电感电流连续。电感电流临界连续时，有：个工作范围电感电流连续。电感电流临界连续时，有： 由由 25. 0doomin UUUDA27. 0L IfLDUIdL mH14. 0H00014. 0 LominLVDavmin)1 (21IDII iVD(1-D)Tt设计方法设计方法 输出功率最大时，电感电流最大，由二极管电流的平均值输出功率最大时，电感电流最大，由二极管电流的平均值等于输出电流，可以得到：等于输出电流，可以得到： oVDmidVDav)1(IDII iVDt(1-D)TIVDmidA31maxoVDmidmax D

30、II67. 0doomax UUUDLmaxVDmidmaxLmax21III A72.0dmaxLmax fLUDIA36. 3Lmax I设计方法设计方法（3 3）计算电容参数）计算电容参数 由输出纹波要求，由输出纹波要求， 实际可选取电容量为实际可选取电容量为100F以上以上 电容工作时承受最高电压为电容工作时承受最高电压为30V，可选额定电压为，可选额定电压为50V以上以上（4 4）计算）计算MOS管的额定电流、额定电压管的额定电流、额定电压 由工作波形确定由工作波形确定 实际可选取参数：实际可选取参数： 额定电流额定电流 4A以上以上 额定电压额定电压 90V以上以上CfDIUmax

31、omaxOPP F10676 CDIIinmaxVTrmsmax V45VTmax UIoDTA21omaxmaxinmax IDDIA6 . 1VTrmsmax I设计方法设计方法（5 5）计算二极管额定电压、额定电流）计算二极管额定电压、额定电流 与计算与计算MOS管电流类似，管电流类似， 二极管额定电流二极管额定电流 由工作波形可以确定，二极管承受最高电压为由工作波形可以确定，二极管承受最高电压为45V 实际可选二极管参数：实际可选二极管参数： 额定电流额定电流2A以上以上 额定电压额定电压90V以上以上 选择快恢复二极管选择快恢复二极管A72. 11maxVDmidmaxVDrmsma

32、x DIIA1 . 157. 172. 1F(AV) Io Cuk电路基本结构电路基本结构2.5 库克电路库克电路（Cuk电路电路） o 电路工作过程电路工作过程1 1、VT开通，电感开通，电感L1充电储能，电容充电储能，电容C1向电容向电容C充电并向负充电并向负 载放电、对载放电、对L2充电，由于充电，由于C1上的电压作用，二极管上的电压作用，二极管VD 关断。关断。2、VT关断，电感关断，电感L1向电容向电容C1转移能量，电容转移能量，电容C1充电，电感充电，电感 L2续流导致续流导致VD开通，开通，L2向电容向电容C充电并向负载放电。充电并向负载放电。3、电容、电容C1上电压高于输出电压

33、和输入电压。上电压高于输出电压和输入电压。2.5 库克电路（库克电路（Cuk电路）电路） 2.5 库克电路库克电路（Cuk电路电路） o 电感电流连续模式（电感电流连续模式（CCM）下工作波形分析）下工作波形分析n 晶体管导通状态（晶体管导通状态（t0 t t1=DT） VT开通、开通、 VD关断，对于电感关断，对于电感L1有：有： 同理，对于电感同理，对于电感 L2有：有： 0VT u0C1 uDTILtiLUL11L11ddd DTILtiLUUL22L22oC1dd L1VTii RUiiiioL2oL2C 2.5 库克电路库克电路（Cuk电路电路） n 二极管二极管VD导通模式（导通模

34、式（t1 t t2=T） VT关断，关断，VD导通，对于电感导通，对于电感L1有：有： 对于电感对于电感L2有：有： oL22L2)1(UTDILu TDILUU)1(L11C1d 0VT iC1VTUu RUiiiioL2oL2C 2.5 库克电路库克电路（Cuk电路电路） o 电感电流连续模式（电感电流连续模式（CCM）工作参数分析）工作参数分析 由于电感伏秒平衡，由于电感伏秒平衡，可以得到：可以得到： 输入输出能量守恒，则有：输入输出能量守恒，则有： MOS管电流峰值：管电流峰值： 0)1()(0)1)(ooC1C1ddTDUDTUUTDUUDTUoin1IDDI )(211)21()2

35、11(L2L1oL2oL1oL22L12VTMIIDIIIIDDIIII DDUU 1doDUU 1dC12.5 库克电路库克电路（Cuk电路电路） o 电感电流连续模式（电感电流连续模式（CCM）工作参数分析）工作参数分析 电感电流脉动：电感电流脉动：L1 L2 由于由于 ，输出电压电流脉动很小，有：，输出电压电流脉动很小，有： 在一个周期内电容充放电平衡，在在一个周期内电容充放电平衡，在T/2时间内有：时间内有： 输出电容电压脉动峰峰值：输出电容电压脉动峰峰值：oCL2iii 1d1dL1fLDULDTUI 2do2L2)1(fLDUUfLDI CL2ii 2424L2CTITIQ CLf

36、DUfCICQU22dL2C88 o 正向激励电路的基本结构正向激励电路的基本结构2.6 正激变换器正激变换器（Forward Converter） o 电感电流连续模式（电感电流连续模式（CCM）工作波形分析）工作波形分析n 晶体管导通状态（晶体管导通状态（0tt1=DT） VT导通，导通， ；副边；副边N2感应正电压使感应正电压使VD1导通、导通、VD2截截 止，副边止，副边N3感应电压与感应电压与Ud叠加叠加，使，使VD3截止，电感两端电压为：截止，电感两端电压为： DTILUUNNuL1od12L d1Uu L1VDii 02VD i2.6 正激变换器正激变换器（Forward Con

37、verter） n 晶体管关断状态（晶体管关断状态（t1 t t2T） 绕组绕组N1中的激磁电流转移到绕组中的激磁电流转移到绕组N3中，中，VD3导通导通，N3 绕绕 组电压为组电压为Ud；由于同名端的关系，；由于同名端的关系，N3绕组的电压具有反向去绕组的电压具有反向去 磁作用，形成磁复位；此时磁作用，形成磁复位；此时N2绕组感应电压导致绕组感应电压导致VD1关断，关断， 电感电感L续流导致续流导致VD2导通，电感两端电压为：导通，电感两端电压为： 在在t2之前，励磁电流在之前，励磁电流在N3 绕组续流，在绕组续流，在Ud作用下线性作用下线性 小，导致变压器磁通密度小，导致变压器磁通密度BT

38、r线性递减线性递减，至至t2时刻降至零，磁路时刻降至零，磁路 复位复位VD3关断，此时全部绕组均无电流，关断，此时全部绕组均无电流，TDILtiLU)1(ddL2Lo 01VD iL2VDii d31dVTUNNuu dVTUu 2.6 正激变换器正激变换器（Forward Converter）2.6 正激变换器正激变换器（Forward Converter）o 电感电流连续模式（电感电流连续模式（CCM）下工作参数分析）下工作参数分析 稳态工作时电感伏秒平衡，有：稳态工作时电感伏秒平衡，有： 上式表明：正激上式表明：正激DC-DC变换电路的输出电压平均值和变换电路的输出电压平均值和Buck电

39、路一样与电路一样与D成正比，不同的是还与匝数有关。成正比，不同的是还与匝数有关。 为避免变压器饱和，每个开关周期内磁路必须复位，即为避免变压器饱和，每个开关周期内磁路必须复位，即0 t t1 阶段磁链增量不能大于阶段磁链增量不能大于t1 t t2阶段磁链衰减量，阶段磁链衰减量，有：有： 这是正激变换器一个重要的约束条件。这是正激变换器一个重要的约束条件。 d12oUNNDU 0)1()(ood12 TDUDTUUNN0)1(d31d TDUNNDTU311NNND 课堂思考课堂思考 设计一个正激式开关稳压电源，电源工作在设计一个正激式开关稳压电源，电源工作在CCM模式，设模式，设计指标如下：计

40、指标如下：（1）输入直流电压）输入直流电压100V150V，（2）输出直流电压）输出直流电压5V，（3）最大输出电流）最大输出电流5A，最小输出电流，最小输出电流100mA，（3）输出纹波峰峰值不大于）输出纹波峰峰值不大于100mV，（4 4）开关频率设定为开关频率设定为100kHz， 计算电路相关参数，变压器仅要求计算匝比、功率。计算电路相关参数，变压器仅要求计算匝比、功率。设计方法设计方法（1 1）变压器参数计算）变压器参数计算 设定设定 ，则最大占空比为，则最大占空比为0.50.5，最小输入电压时占，最小输入电压时占 空比达到最大，空比达到最大，则则N1、N2之比可由输入输出关系计算之比

41、可由输入输出关系计算 变压器额定功率变压器额定功率（2）输出滤波电感参数计算）输出滤波电感参数计算 电感电流平均值等于输出直流电流，考虑输出最小电流电感电流平均值等于输出直流电流，考虑输出最小电流 时电感电流临界连续，则时电感电流临界连续，则31NN 10odminmax21 UUDNNW25oo IUPA2 . 02ominL II设计方法设计方法 由由 ，得，得 输入电压最大时，占空比最小，得输入电压最大时，占空比最小，得 与与BuckBuck电路类似，电感最大峰值电流电路类似，电感最大峰值电流（3 3）输出滤波电容参数计算）输出滤波电容参数计算 参考参考BuckBuck电路，电路， 电容

42、承受的最大电压为电容承受的最大电压为5V 可以选取可以选取 以上，额定电压以上，额定电压16V以上以上TDILU)1(L2o fIDULLmino)1( 33. 0dmaxo21min UUNNDmH17. 0H00017. 0 LA1 . 521LomaxLmax IIId122minminOPP8)1(UNNLCfDDU F104 . 26 CF7 . 4 C设计方法设计方法（4 4）输出整流二极管参数计算）输出整流二极管参数计算 VD1电流参数计算参考电流参数计算参考Buck电路电路MOS管管 额定电流额定电流 VD2电流参数计算参考电流参数计算参考Buck电路二极管电路二极管 额定电流

43、额定电流 二极管承受的最高电压为二极管承受的最高电压为15V 二极管可以选择相同参数，选择参数：二极管可以选择相同参数，选择参数： 额定电流额定电流5A以上，额定电压以上，额定电压30V以上以上 A5 . 3maxomaxVDrmsmax DIIA1 . 41minomaxVDrmsmax DIIA2 . 257. 15 . 3VD IA6 . 257. 11 . 4VD I设计方法设计方法（5）MOS管参数计算管参数计算 MOS管开通时，电流波形与电感电流一致，数量上缩小管开通时，电流波形与电感电流一致，数量上缩小 ，因此，因此MOS管通过的最大电流有效值为：管通过的最大电流有效值为： 根据

44、根据MOS管工作波形，承受的最大电压为：管工作波形，承受的最大电压为： MOS管选择考虑：管选择考虑： 额定电流额定电流1A以上，额定电压以上，额定电压500V以上以上12NNA35. 0maxomax12VTrmsmax DINNIV300)1(dmax31VTmax UNNU设计方法设计方法（6）磁通复位绕组）磁通复位绕组N3续流二极管续流二极管VD3参数计算参数计算 由于由于 ， VD3续流电流为变压器的励磁电流，励续流电流为变压器的励磁电流，励磁电流的详细计算需要先确定磁芯，一般可以粗略考虑复位绕磁电流的详细计算需要先确定磁芯，一般可以粗略考虑复位绕组的额定电流（组的额定电流（ VD3

45、的额定电流）为主绕组额定电流（的额定电流）为主绕组额定电流（MOS管管额定电流）的额定电流）的10%30%。 因此，因此， VD3额定电流为额定电流为 二极管承受的最大电压与二极管承受的最大电压与MOS管相同，为：管相同，为：300V VD3额定参数选择如下：额定参数选择如下： 额定电压额定电压500V以上，额定电流以上，额定电流0.2A以上以上31NN A07. 057. 135. 03 . 0VD3 Io反激变换器的基本结构反激变换器的基本结构2.7 反激式变换器反激式变换器（Flyback Converter） o 电流连续模式（电流连续模式（CCM）下工作波形分析）下工作波形分析n 晶

46、体管导通状态（晶体管导通状态（0tt1=DT） VT导通，副边感应电势导致导通，副边感应电势导致VD1截止，电感截止，电感L1充电储充电储 能，有：能，有： DTILtiLUuL11L11dLdd d12L2UNNu L1VTii 2.7 反激式变换器反激式变换器（Flyback Converter） n 晶体管关断状态晶体管关断状态（t1 t t2T） VT关断，绕组关断，绕组N1中的激磁电流转移到绕组中的激磁电流转移到绕组N2中续流，中续流， VD1导通，电感导通，电感L1转移能量到副边绕组转移能量到副边绕组N2中，有：中，有： 绕组绕组N2的电感的电感L2： 122122INNI 121

47、22)(LNNL oL22L22L2)1(ddUTDILtiLu L2VD1ii 112121INNI 2.7 反激式变换器反激式变换器（Flyback Converter） N1I11/N2o 电流连续模式（电流连续模式（CCM）下工作参数分析）下工作参数分析 稳态工作时电感伏秒平衡，可以得到：稳态工作时电感伏秒平衡，可以得到： 上式表明：反激上式表明：反激DC-DC变换电路的输出电压平均值和变换电路的输出电压平均值和Buck-Boost电路一样与电路一样与D/(1-D)成正比，不同的是还与匝数有关。成正比，不同的是还与匝数有关。d12o1UDDNNU 0)1(od2 TDUDTUNN2.7

48、 反激式变换器反激式变换器（Flyback Converter） 课堂思考课堂思考 设计一个反激式开关稳压电源，电源工作在设计一个反激式开关稳压电源，电源工作在CCM模式，设模式，设计要求如下：计要求如下： （1）输入直流电压）输入直流电压100V150V （2）输出直流电压）输出直流电压5V （3）最大输出电流）最大输出电流5A，最小输出电流，最小输出电流500mA， （4）开关频率设定为）开关频率设定为100kHz， （5）输出电压纹波峰峰值不大于）输出电压纹波峰峰值不大于100mV， （6）变压器初级反射电压不高于）变压器初级反射电压不高于50V， 设计电路相关参数，变压器仅要求计算功率

49、与变比、初级设计电路相关参数，变压器仅要求计算功率与变比、初级电感。电感。设计方法设计方法（1 1）计算变压器参数）计算变压器参数 考虑变压器反射电压：考虑变压器反射电压： 实际选择变压器匝比：实际选择变压器匝比： 输入电压最小时占空比达到最大，有：输入电压最小时占空比达到最大，有： 变压器功率：变压器功率：W2555 Pdminmaxmax12o1UDDNNU 1021 NN1021 NN33. 0max D25. 0min D设计方法设计方法输出直流电流：输出直流电流： 输入平均电流：输入平均电流： 设电流中值比：设电流中值比： ( (当当 时电感电流连续时电感电流连续) )有：有： 当输入电压最小，占空比达当输入电压最小，占空比达到最大，输出电流最小时，电流到最大，输出电流最小时，电流连续需要的电感量最大，取