合肥工业大学电力电子技术第七讲第三章

1、12345复合型复合型DCDCDCDC变换器变换器 变压器隔离型变压器隔离型DC/DCDC/DC变换器变换器本章小结本章小结 6学习指导学习指导DC-DCDC-DC变换器换流及其特性分析变换器换流及其特性分析 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 基本内容7本章习题本章习题 DC-DC变换器（DC-DC converter）是指能将一定幅值的直流输入电压（或电流）变换成一定幅值的直流输出电压（或电流）的电力电子装置，主要应用于直流电压变换（升压、降压、升降压等）、开关稳压电源、直流电机驱动等场合。 当DC-DC变换器输入为电压源，并完成电压电压变换 时，称之为DC-DC电压变换

2、器 当DC-DC变换器输入为电流源，并完成电流电流变换 时，称之为DC-DC电流变换器 （习惯上所称的DC-DC变换器常指DC-DC电压变换器 ）学习指导学习指导学习指导学习指导 理论上，按其变换功能可将DC-DC变换器分为以下4种基本类型：u 降压型（减流型）DC-DC变换器， 简称buck变换器u 升压型（增流型）DC-DC变换器， 简称boost变换器u 升降压型（增减流型）DC-DC变换器， 简称boostbuck 变换器u 降升压型（减增流型）DC-DC变换器， 简称buckboost变换器学习指导学习指导 工程上，依据DC-DC变换器是否需要电气隔离，又可将其分为： u 有变压器的

3、隔离型DC-DC变换器u 无变压器的非隔离型DC-DC变换器 为讨论方便，本章所简称的buck变换器、boost变换器、buckboost变换器及boostbuck变换器，除特加说明外，一般均指无隔离变压器的非隔离型DC-DC变换器。由于非隔离型DC-DC变换器是DC-DC变换器的基础，因此，本章首先着重讨论非隔离型DC-DC变换器的基本原理及其特性，然后介绍隔离型DC-DC变换器的基本原理及其特性。 3.1 DC-DC3.1 DC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 如图所示，在变压器的一次绕组施加交流电压u1时，铁芯内磁通就变化，在二次绕组上就产生感应电压u2。如果设一、二次绕组匝数为w

4、1、w2时，在二次绕组中产生的电压可用下式表达：u1u2w1w2)w/w(uu)dt/d(wu)dt/d(wu12122211如何改变直流电压？3.1 DC-DC3.1 DC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 如左图所示。通过串联可变电阻改变直流电压。R，则uL； R ，则uL 。 在串联电阻中也流过与负载电阻电流相同的电流，将产生大的损耗。 使用开关器件，将直流电压转换成脉冲的形式，把这些脉冲组合在一起就得到了输出电压。无需加入电阻，降低损耗 由于输出电压由一系列脉冲组成，波形看上去就好像被周期性的斩切了一样。所以称为直流斩波器。 工程上，一般将以开关管按一定控制规律调制且无变压器隔离的

5、DC-DC变换器或输入输出频率相同的AC-AC变换器统称为斩波器斩波器（Chopper） 当完成AC-AC变换时，称之为交流斩波器交流斩波器（AC Chopper）；而当完成DC-DC变换时，则称之为直流斩直流斩波器波器（DC Chopper） 这种开关管按一定调制规律通断的控制为斩波控制斩波控制 3.1 DC-DC3.1 DC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构3.1 DC-DC3.1 DC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 斩波控制斩波控制按开关管调制规律的不同主要分为2种：u脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM， Pulse Width Modulation ） 这种控制方式是指开关

6、管调制信号调制信号的周期固定不变周期固定不变，而开关管导通信号导通信号的宽度可调宽度可调u脉冲频率调制（脉冲频率调制（PFM） 这种控制方式是指开关管导通导通信号信号的宽度固定不变宽度固定不变，而开关管调制信号调制信号的频率可调频率可调 在以上2种调制方式中，脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM）控制方式是电力电子开关变换器最常用最常用的开关斩波控制方式，也是本章讨论所涉及的主要开关控制方式。3.1 DC-DC3.1 DC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构直流斩波器实际上是一类基本的DC-DC变换器，按其直流输入输出相关量的大小关系（升、降、升-降、降-升），这种基本的DC-DC变换器可分为

7、： buck型型 DC-DC变换器变换器 boost 型型 DC-DC变换器变换器 boost-buck型型 DC-DC变换器变换器 buck-boost型型 DC-DC变换器变换器 DC-DC变换器主要完成电压变换电压变换或电流变电流变换换功能，那么如何完成这一变换呢？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电压变换原理电路及输入、输出波形 图3-1a为基本的DC-DC电压变换原理电路，从图中可以看出：输入电压源Ui通过开关管VT与负载RL相串联串联，当开关管VT导通导通时，输出电压等于输入电压，UoUi；而当开关管VT关断

8、关断时，输出电压等于零，Uo0。得到的基本电压变换电路的输出电压波形如图3-1c所示。显然，若令输出电压的平均值为Uo则UoUi ，可见，图3-1a所示的电压变换电路实现了降压型DC-DC变换器（buck电压变换器电压变换器）的基本变换功能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 问题的提出 图3-1a所示的原理电路实现了基本的buck型电压变换，但 buck型电压变换电路的输出电压是脉动的输出电压是脉动的，如何进行改进？为了减小输出电压脉动幅度，可以考虑在电路中加入适当的滤波环节滤波环节（提示：电容电压不突变，可用于滤平电压脉动。）3

9、.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 为抑制输出电压脉动抑制输出电压脉动，可在图3-1a所示的基本原理电路中加入输出滤波元件输出滤波元件（如：电容C）如图3-2a所示 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问题的提出分析已加入滤波环节的DC-DC电压电流变换器u输出滤波元件输出滤波元件的加入必然使变换电路中开关管VT的电压、电压、电流应力增加电流应力增加u图3-2a所示的DC-DC去脉动电压变换器电路中，由于UoUi，当开关管 VT导通 时，电容电容C将造成输入输出短路将造成

10、输入输出短路，以至于开关管VT流入很大的短路电流短路电流而毁坏？L3.1.1 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 在图3-2a所示的buck型DC-DC电压变换电路中为了限制开限制开关管关管VT导通时的电流应力导通时的电流应力，则将缓冲电感缓冲电感L串入串入开关管VT的支路中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 在上述改进基础上，为了避免避免开关管VT关断时缓冲电感关断时缓冲电感L中电流的突变中电流的突变（减小电压应力），应再加入续流二极管加入续流二极管VD（为电感释放储存的能量提

11、供通路，减缓电感电流变化率）如图3-2c所示结构较为完善的buck型电压斩波器型电压斩波器 DC-DC电流变换原理电路及输入、输出波形 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 图3-1b为基本的DC-DC电流变换原理电路，从图中可以看出：输入电流源Ii通过开关管VT与负载RL相并联并联，当开关管VT关断关断时，输出电流等于输入电流，即IoIi；而当开关管VT导通导通时，输出电流等于零，即Io0。基本电流变换电路的输出电流波形如图3-1d所示。 显然，若令输出电流的平均值为Io，则IoIi 。可见，图3-1b所示的电流变换电路实现了降流

12、型DC-DC变换器（buck电流电流变换器变换器）的基本变换功能 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 问题的提出 图3-1b所示的原理电路实现了基本的buck型电流变换，但 buck型电流变换电路的输出电流输出电流是脉动脉动的，如何进行改进？为了减小输出电流的脉动幅度，也可以考虑在电路中加入适当的滤波环节滤波环节（提示：电感中的电流不突变，可用于滤平电流脉动）L3.1.1 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为抑制输出电流脉动抑制输出电流脉动，可在图3-1b所示的基本原理电路中加入

13、输出滤波元件输出滤波元件（如：电感L）如图3-2b所示 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u图3-2b所示的DC-DC去脉动电流变换器电路中，由于IoIi，当开关管 VT断开 时，电感电感L将将感应出极高的电压感应出极高的电压，从而使开关管VT过电压过电压而毁坏如何限制电压电流应力？为了限制开关管的电压、电流应力，可以考虑在电路中加入适当的缓冲环节缓冲环节（如缓冲电感，续流二极管，缓冲电容，箝位二极管）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 在图3-2b所示的buck型D

14、C-DC电流变换电路中，为了限制限制开关管开关管VT关断时的电压应力关断时的电压应力，则将缓冲电容缓冲电容C并入并入开关管VT的两端 C3.1.1 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 为了避免开关管避免开关管VT导通时缓冲电容两端电压的突变导通时缓冲电容两端电压的突变（减少电流应力），应加入钳位二极管加入钳位二极管VD（阻止电容放电）如图3-2d所示 结构较为完善的buck型电流斩波器型电流斩波器 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

15、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

16、 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

17、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 DC-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

18、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