DC-DC变换电路原理

1、DC-DC变换电路原理第一页，共113页。第3章 DC/DC变换电路 直流变换将直流电能(DC)转换成另一固定电压或电压可调的直流电能。基本的直流变换电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、库克变换电路 重点：电路结构、工作原理及主要数量关系 第二页，共113页。第3章 DC/DC变换电路 直流变换将直流电能(DC)转换成另一固定电压或电压可调的直流电能。直流变换电路完成直流变换的电路。直流变换器实现直流变换的装置。第三页，共113页。3.1直流PWM控制技术基础3.1.1 直流变换的基本原理及PWM概念 直流变换问题的提出直流调速：需要可变的直流电压直流供电电压一定，而负载需要不同

2、电压直流升压：太阳能电池输出电压较低，需要 变换到较高电压再变换为直流第四页，共113页。3.1直流PWM控制技术基础3.1.1 直流变换的基本原理及PWM概念 （1）开关管T导通时，R两端电压 uo=US开关管仅两种工作状态：导通与断开开关管IGBT导通条件： UG0基本的直流变换电路ioUSiSuoRT开关管T导通等效电路ioUSiSuoRT第五页，共113页。3.1直流PWM控制技术基础3.1.1 直流变换的基本原理及PWM概念 （2）开关管T断开时，R两端电压 uo=0开关管仅两种工作状态：接通与断开开关管IGBT断开控制： UG=0基本的直流变换电路ioUSiSuoRT开关管T断开等

3、效电路ioUSiSuoRT第六页，共113页。3.1.1 直流变换的基本原理及PWM概念R两端平均电压：控制一周期中导通时间比例可控制输出平均电压开关管IGBT控制电压R两端电压波形基本的直流变换电路ioUSiSuoRT第七页，共113页。3.1.1 直流变换的基本原理及PWM概念 定义上述电路中导通占空比D为: 通过控制占空比控制输出电压R两端平均电压：导通占空比占空比导通比第八页，共113页。改变占空比D有三种基本方法：3.1.1 直流变换的基本原理及PWM概念脉冲频率调制(PFM) 维持ton不变，改变TS。改变TS就改变了输出电压周期或频率。tonTS1uttonTS2ut第九页，共1

4、13页。改变占空比D有三种基本方法：3.1.1 直流变换的基本原理及PWM概念脉冲宽度调制(PWM)维持TS不变，改变ton在这种方式中，输出电压波形的周期不变，仅改变脉冲宽度。有利于滤波器的设计ton1TSutton2TSut第十页，共113页。改变占空比D有三种基本方法：3.1.1 直流变换的基本原理及PWM概念混合脉冲宽度调制脉冲周期TS与宽度ton均改变。广义的脉冲宽度调制技术包含上述三种控制方式ton1TSutton2TS2ut第十一页，共113页。1面积等效原理PWM应用的理论基础 自动控制理论冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。形状不同而冲量相同的各

5、种窄脉冲3.1.2 PWM技术基础e(t)td(t)e(t)t50.2e(t)t0.210e(t)t0.120冲量=窄脉冲面积第十二页，共113页。实验电路RLe(t)i(t)冲量相同的各种窄脉冲的响应波形i(t)=?冲量=1e(t)t50.2e(t)td(t)e(t)t0.210e(t)t0.120(a)(b)(c)(d)(d)(c)(b)(a)第十三页，共113页。1面积等效原理比较RL电路对冲量相同而形状不同窄脉冲的响应波形可知，输出波形大致相同 进一步说,响应波形的低频成份基本相同。上述原理可以称为面积等效原理。根据该原理，将平均值为up的一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲加到包含惯性环

6、节的负载上，将与施加幅值为up的恒定直流电压所得结果基本相同，这样一来就可用一列脉冲波形代替直流波形。第十四页，共113页。除了直流波形可用PWM波形来代替外，根据面积等效原理可以进一步推出，可以在一段时间内按一定规则生成PWM波形来代替所需的任何波形1面积等效原理如用正弦脉冲宽度调制波形来代替正弦波SPWM第十五页，共113页。2直流PWM波形的生成方法生成PWM波形有多种方法，常见有计算法、调制法等。计算法是在每个时间段，利用计算机技术直接计算出当前所需要的脉冲宽度，进而据此对电力电子器件进行开关控制而获得PWM波形。调制法是利用高频载波信号与期望信号相比较来确定各脉冲宽度信息进而生成PW

7、M波形。第十六页，共113页。调制法生成PWM波形典型框图：返回2直流PWM波形的生成方法u*R: 调制信号uC: 载波信号载波信号频率远大于调制信号频率第十七页，共113页。3.2基本的直流变换电路 3.2.1 降压斩波电路3.2.2 升压斩波电路3.2.3 升降压斩波电路3.2.4 库克变换电路返回第十八页，共113页。3.2基本的直流变换电路 基本的直流变换电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、库克变换电路 介绍内容： 1、电路结构2、工作原理3、主要波形4、基本数量关系第十九页，共113页。3.2基本的直流斩波电路 3.2.1 降压变换电路 降压变换电路输出电压的平均值低于

8、输入直流电压，又称为Buck型变换器。 ? D、L、C作用降压变换电路IGBT实现USiSiLuoioRLCTDUSiSiLuoioRLCSD降压变换电路结构第二十页，共113页。3.2.1 降压变换电路1 降压变换电路工作原理（1）T导通情形电感电压uL=US uo，在该电压的作用下，电感电流iL线性增长 ，电感储能增加电源能量向电感、负载传递USiSiLuoioRLCTDT导通等效电路USiSiLuoioRLCTD第二十一页，共113页。3.2.1 降压变换电路1 降压变换电路工作原理（2）T 断开情形-电流连续电感电压uL= uo，在该电压的作用下，电感电流iL线性下降 ，电感储能减少电

9、感储能向电容、负载转移USiSiLuoioRLCTDT断开等效电路（iL0)DUSiSiLuoioRLCT第二十二页，共113页。3.2.1 降压变换电路1 降压变换电路工作原理（2）T 断开情形-电流断续电感电压uL= 0，电容向负载供电电容储能向负载转移T一周期中导通时间愈长，向电感转移的能量愈多，向负载转移的能量也愈多，即输出电压愈高控制开关管导通占空比可控制输出电压USiSiLuoioRLCTDT断开等效电路（iL=0)iLDUSiSuoioRLCT第二十三页，共113页。3.2.1 降压变换电路1 降压变换电路工作原理输出电压在0电源电压之间可调降压变换电路特殊情形：T常断开特殊情形

10、：T常导通USiSiLuoioRLCTD稳态：电感电压uL= 0 负载电压u0=0稳态：电感电压uL= 0 负载电压u0=US第二十四页，共113页。2 主要波形分析3.2.1 降压变换电路理论基础电路理论基本方法分段线性分析 （重点是根据开关情况确定等效电路）假设条件：1、器件是理想的（不考虑开关时间、导通压降等）2、输出滤波电容较大，输出电压基本平直第二十五页，共113页。2 主要波形电感电流连续情形电感电流连续情形： iL0降压电路T导通等效电路uG0T断开等效电路uG=0第二十六页，共113页。2 主要波形电感电流连续情形数学模型:初值条件?假设uC=Uo =常数iL线性增加uGtuL

11、tiLiMimtiCtT导通等效电路+uo-+ uL -T导通波形第二十七页，共113页。2主要波形电感电流连续情形数学模型:初值条件?假设uC= Uo =常数iL线性减少toffiLuGttonuLtiCtimtiMT断开等效电路+uo-+ uL -主要波形第二十八页，共113页。3 主要数量关系电感电流连续情形(1) 平均输出电压Uo(2) 平均输出电流Io表现系统主要性能指标的量：(3) 电感电流纹波DIL(4) 负载电压纹波DUO主要器件承受的电压、电流等量可根据波形确定第二十九页，共113页。3 主要数量关系电感电流连续情形uLuGiLiCimtttttontoffiM(1) 平均输

12、出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。或：第三十页，共113页。uLuG3 主要数量关系电感电流连续情形iLiCimtttttontoffiM(2) 输出平均电流IoIO(3) 电感电流纹波DIL第三十一页，共113页。uLuG3 主要数量关系电感电流连续情形iLiCimtttttontoffiMIO(4) 电感电流极值iM、im?稳态情况下，电容上一周期中的平均电流为零。电流连续时:电感平均电流=负载平均电流第三十二页，共113页。3 主要数量关系电感电流连续情形(5) 电容电压纹波DuCuGiLimtttontoffiMIOiCtDuCtuCUO第三十三页，共113页。3 主

13、要数量关系电感电流连续情形（5）电容电压纹波DuC注意：结论：1：增加LC, 电压纹波减少2：开关频率高，电压纹波小3：D=0.5，电压纹波达到峰值第三十四页，共113页。3 主要数量关系电感电流连续情形5、电容电压纹波DuC记：纹波系数：第三十五页，共113页。4 主要波形电感电流断续情形电感电流断续情形：在一段时间内iL=0降压电路T导通等效电路uG0T断开、D续流等效电路uG=0uG=0T断开、D断开等效电路第三十六页，共113页。4 主要波形电感电流断续情形数学模型:初值条件假设uC=Uo =常数iL线性增加uGtuLtiLiMtiCtT导通等效电路+uo-+ uL -第三十七页，共1

14、13页。4 主要波形电感电流断续情形数学模型:初值条件假设uC= Uo =常数iL线性减少ttttuLuGiLiCtontoffiMtconT断开、D续流等效电路+uo-+ uL -第三十八页，共113页。4 主要波形电感电流断续情形数学模型:初值条件uC= Uo =常数iC维持不变uLuGiLiCtttttontofftconiMT断开、D断开等效电路+uo-第三十九页，共113页。5 主要数量关系电感电流断续情形（1）平均输出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。或：uLuGiLiCtttttontoffiMtcon注意：tcon与电路参数、ton有关第四十页，共113页。5

15、主要数量关系电感电流断续情形（1）平均输出电压UouLuGiLiCtttttontoffiMtcon记电压变换比：第四十一页，共113页。5 主要数量关系电感电流断续情形(2) 输出平均电流Io(3) 电感电流纹波DILuLuGiLiCtttttontoffiMtconIO电流断续时:第四十二页，共113页。5 主要数量关系电感电流断续情形uLuGiLuCtttttontoffiMtcon(4) 电容电压纹波DuCIOtt2t1注意：第四十三页，共113页。5 主要数量关系电感电流断续情形(4) 电容电压纹波DuC注意：=？第四十四页，共113页。5 主要数量关系电感电流断续情形D2与系统参数

16、关系uLuGiLiCtttttontoffiMtcon电感平均电流=负载平均电流电感平均电流IL:电压变换比第四十五页，共113页。5 主要数量关系电感电流断续情形D2与系统参数关系电压变换比注意到：注意最后有：第四十六页，共113页。(5) 电感电流临界连续条件电流临界连续: 电感电流仅瞬间为零uLuGiLuCtttttontoffiMtconIOtt2t1电流临界连续时:电流临界连续时:第四十七页，共113页。（5） 电感电流临界连续条件电流临界连续时:电感电流连续条件:电感电流临界连续条件:电感电流断续条件:第四十八页，共113页。降压变换电路小结优点1、电路简单2、控制特性好3、负载侧

17、电流波动小缺点1、电源侧电流波动大2、只能降压、不能生压返回第四十九页，共113页。3.2.2 升压变换电路 Boost电路1 升压变换电路结构与工作原理工作原理:T导通时, uL=US , 电感电流线性增加,电感储能增加,电源向电感转移电能。T断开时, uL=US - uC, 电感电流减少,电感储能减少, 电感储能向负载转移电能。升压变换电路结构升压变换电路IGBT实现返回第五十页，共113页。3.2.2 升压变换电路 Boost电路1 升压变换电路结构与工作原理工作原理:稳态情况下,T断开时, 电感电流减少,uL=US - uC US 升压变换电路升压变换电路IGBT实现第五十一页，共11

18、3页。2 波形分析假设条件：1、器件是理想的（不考虑开关时间、导通压降等）2、输出滤波电容较大，输出电压基本平直.电感电流连续.电感电流断续两种情形:升压变换电路IGBT实现第五十二页，共113页。2 波形分析-电感电流连续情形等效电路: 根据开关器件的通断状况来确定IGBT器件的通断由其栅极控制信号决定升压变换电路T断开等效电路UG=0T导通等效电路UG0第五十三页，共113页。2 波形分析-电感电流连续情形iLimtuLtuGttontoffiMiCt升压变换电路T导通等效电路T断开等效电路第五十四页，共113页。2 波形分析-电感电流断续情形升压变换电路T断开D续流等效电路UG=0T断开

19、D断开等效电路UG=0T导通等效电路UG0第五十五页，共113页。2 波形分析-电感电流断续情形uLtiLtuGttontoffiMiCttconT导通等效电路T断开D续流等效电路T断开D断开等效电路第五十六页，共113页。3 主要数量关系-电感电流连续情形(1) 平均输出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。或：uLuGiLiCimtttttontoffiMTS升压变换电路第五十七页，共113页。3 主要数量关系-电感电流连续情形(2) 平均输出电流Io(3) 电感电流纹波DIL升压变换电路uLuGiLiCimtttttontoffiMTS第五十八页，共113页。3 主要数量关系

20、-电感电流连续情形(4) 电容电压纹波DuC升压变换电路uLuGiLiCimtttttontoffiMTS考虑Ioim情形:Io第五十九页，共113页。3 主要数量关系-电感电流断续情形(1) 平均输出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。或：注:uLtiLtuGttontoffiMiCttcon第六十页，共113页。3 主要数量关系-电感电流断续情形(2) 平均输出电流Io(3) 电感电流纹波DILuLtiLtuGttontoffiMiCttcon电感电流平均值I L输出电流Io第六十一页，共113页。3 主要数量关系-电感电流断续情形uLtiLtuGttontoffiMiCtt

21、conD2与系统参数的关系输入功率=输出功率，有：其中：第六十二页，共113页。3 主要数量关系-电感电流断续情形(4) 电容电压纹波DuCuLtiLtuGttontoffiMiCttconIo注意:第六十三页，共113页。3 主要数量关系uLuGiLiDtttttontoffiM(5) 电感电流临界连续条件电流临界连续时:电流临界连续时:电感电流仅瞬间为零第六十四页，共113页。3 主要数量关系(5) 电感电流临界连续条件电流临界连续时:电流连续时:电流连续条件:电流断续条件:第六十五页，共113页。升压变换电路小结优点1、电路简单2、电源侧电流波动小缺点1、负载侧电流波动大2、只能升压、不

22、能降压升压变换电路不宜在输出端开路情况下工作!返回第六十六页，共113页。3.2.3 升降压变换电路 Buck-boost电路 1 升降压变换电路结构与工作原理T导通时, uL=US , 电感电流线性增加,电感储能增加,电源向电感转移电能。T断开时, uL= - uC, 电感电流减少,电感储能减少, 电感储能向负载转移电能。工作原理:控制T通断来控制电源向负载转移电能升降压变换电路结构升降压变换电路IGBT实现返回第六十七页，共113页。3.2.3 升降压变换电路 Buck-boost电路 1 升降压变换电路结构与工作原理工作原理:特殊情况: T长期断开时,输出电压uO=0。T导通时间较长时,

23、电感电流将趋于无限大,此时断开T,将有无穷大能量转移到负载,输出电压uO也将趋于无限大。升降压变换电路升降压变换电路结构升降压变换电路IGBT实现第六十八页，共113页。2 波形分析.电感电流连续.电感电流断续两种情形:假设条件：1、器件是理想的（不考虑开关时间、导通压降等）2、输出滤波电容较大，输出电压基本平直升降压变换电路第六十九页，共113页。2 波形分析-电感电流连续情形升降压变换电路T断开、D续流等效电路UG=0T导通等效电路UG0电感电流连续iL0第七十页，共113页。2 波形分析-电感电流连续情形uLtuGttontoffiCtiMiLtim-uC升降压变换电路T导通等效电路T断

24、开、D续流等效电路第七十一页，共113页。波形分析-电感电流断续情形升降压变换电路T断开、D续流等效电路UG=0T导通等效电路UG0电感电流断续:存在iL=0时间段T断开、D断开等效电路UG=0第七十二页，共113页。2 波形分析-电感电流断续情形uLtiLtuGttoniCtiMtoff-uCtconT断开、D续流等效电路T导通等效电路T断开、D断开等效电路第七十三页，共113页。3 主要数量关系-电感电流连续情形升降压变换电路uLuGiLiCtttttontoffiMim-uC(1) 平均输出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。或：第七十四页，共113页。3 主要数量关系-电

25、感电流连续情形升降压变换电路uLuGiLiCtttttontoffiMim-uC(2) 平均输出电流Io(3) 电感电流纹波DILT导通期间：第七十五页，共113页。3 主要数量关系-电感电流连续情形升降压变换电路uLuGiLiCtttttontoffiMim-uC(4)电容电压纹波DuC考虑Ioim情形:Io第七十六页，共113页。3 主要数量关系-电感电流断续情形升降压变换电路(1) 平均输出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。或：uLuGiLiCtttttontoffiM-uCtcon第七十七页，共113页。3 主要数量关系-电感电流断续情形升降压变换电路(2) 平均输出电

26、流Io(3) 电感电流纹波DILT导通期间：uLuGiLiCtttttontoffiM-uCtcon第七十八页，共113页。3 主要数量关系-电感电流断续情形(4)电容电压纹波DuC|Io|uLuGiLiCtttttontoffiM-uCtcon注意:tw第七十九页，共113页。3 主要数量关系(5)电流临界连续条件uLuGiLiDtttttontoffiM电流临界连续时:电流临界连续时:电感电流仅瞬间为零第八十页，共113页。3 主要数量关系(5)电流临界连续条件电流连续时:电流连续条件:uLuGiLiCtttttontoffiMim-uC电流临界连续时:电流断续条件:第八十一页，共113页

27、。升降压变换电路小结优点1、电路简单2、既能升压、也能降压缺点1、电源侧、负载侧电流波动大D2与电路参数关系请自行推导返回第八十二页，共113页。3.2.4 库克变换电路 优点: 降压、负载电流波动小缺点：不能升压、电源电流波动大优点: 升压、电源电流波动小缺点：不能降压、负载电流波动大优点: 能升压、降压缺点：负载电流、电源电流波动大升降压变换电路降压变换电路升压变换电路返回第八十三页，共113页。3.2.4 库克变换电路 期望电路：能同时实现升压、降压 能同时使电源电流、负载电流波动小库克变换电路第八十四页，共113页。3.2.4 库克变换电路 1 工作原理:T导通时, uL=US , 电

28、感电流线性增加,电感储能增加,电源向电感转移电能。同时电容C1上储能向负载转移。T断开时, 电感电流减少,电感储能减少, 电感储能向C1 、负载转移电能。控制T通断来控制电源向负载转移电能第八十五页，共113页。3.2.4 库克变换电路 1 工作原理:特殊情况: T长期断开时,输出电压uO=0。T导通时间较长时,电感电流将趋于无限大,此时断开T,将有无穷大能量转移到负载,输出电压uO也将趋于无限大。升降压变换电路控制T通断来控制电源向负载转移电能第八十六页，共113页。2 波形分析.电感L2电流连续.电感L2电流断续两种情形:假设条件：1、器件是理想的（不考虑开关时间、导通压降等）2、滤波电容

29、较大，输出电压基本平直库克变换电路第八十七页，共113页。2 波形分析-电感电流连续情形库克变换电路T导通、D断开等效电路UG0T断开、D续流等效电路UG=0第八十八页，共113页。2 波形分析-电感电流连续情形uL1tuGttontoffiL1tiM1im1uL2tUS-uC1-uOiL2t库克变换电路T导通、D断开等效电路T断开、D续流等效电路第八十九页，共113页。2 波形分析-电感电流断续情形库克变换电路T断开、D续流等效电路UG=0T断开、D断开等效电路UG=0T导通、D断开等效电路UG0第九十页，共113页。2 波形分析-电感电流断续情形uL1tuGttontofftiL1iM1u

30、L2t-uOUS-uC1iL2ttconT导通、D断开等效电路T断开、D续流等效电路T断开、D断开等效电路第九十一页，共113页。2 波形分析-电感电流断续情形uL1tuGttontoffiL1tiM1uL2t-uOiL2tUS-uC1tconT导通、D断开等效电路T断开、D续流等效电路T断开、D断开等效电路第九十二页，共113页。3 主要数量关系-电感电流连续情形库克变换电路(1) 平均输出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。uL1uGiL1iL2tttttontoffiM1im1US-uC1uL2t-uO第九十三页，共113页。3 主要数量关系-电感电流连续情形库克变换电路(

31、1) 平均输出电压UoC1平均电压满足:稳态时C1电压高于电源电压第九十四页，共113页。3 主要数量关系-电感电流连续情形库克变换电路(3) 电感电流纹波DiLuL1uGiL1iL2tttttontoffiM1im1-uOuL2t-uOIO(2) 输出平均电流IO第九十五页，共113页。3 主要数量关系-电感电流连续情形库克变换电路(4) 输出电压纹波DuOuL1uGiL1iL2tttttontoffiM1im1-uOuL2t-uOIO第九十六页，共113页。3 主要数量关系-电感电流断续情形库克变换电路(1) 输出平均电压UOuL1uGiL1iL2tttttontoffiM1US-uC1u

32、L2t-uOtcon稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。第九十七页，共113页。3 主要数量关系-电感电流断续情形(2) 电流临界连续条件因输入输出功率平衡，有：uL1uGiL1iL2tttttontoffiM1US-uC1uL2t-uOim1im2iM2电流临界连续时:im1=-im2库克变换电路第九十八页，共113页。3 主要数量关系-电感电流断续情形(2) 电流临界连续条件uL1uGiL1iL2tttttontoffiM1US-uC1uL2t-uOim1im2iM2因为：因输入输出功率平衡，有：第九十九页，共113页。3 主要数量关系-电感电流断续情形(2) 电流临界连续条件uL1uGiL1iL2tttttontoffiM1US-uC1uL2t-uOim1im2iM2又：因Io=L2平均电流，有：第一百页，共113页。3 主要数量关系-电感电流断续情形(2) 电流临界连续条件电流临界连续时：im1=-im2电流临界连续条件#1、#2两式相加（#1）（#2）第一百零一页，共113页。3 主要数量关系-电感电流断续情形(2) 电流临界连续条件电流临界连续条件：电流连续条件:电流断续条件:库克变换电路第一百零二页，共11