直流-直流变换技术

电力电子技术主讲:叶红芳电话：681118作业邮箱：1761700@qq.COM2.1概述2.2降压式变换器2.3升压式变换器2.4升降压式变换器2.5库克变换器*2.6正激式变换器2.7反激式变换器2.8桥式变换器*2.9多象限直流变换器*2.10其他典型直流变换器*2.11应用示例*直流-直流变换技术2.1概述■直流-直流变换电路及功能功能将直流电变换为另一种固定电压或可调电压的直流电分类无变压器隔离DC-DC变换器有变压器隔离DC-DC变换器■无变压器隔离基本DC-DC变换器降压式变换器（BuckConverter）升压式变换器（BoostConverter)升降压式变换器（Buck-BoostConverter）库克变换器（CukConverter）Sepic变换器（SepicConverter）Zeta变换器（ZetaConverter）2.1概述■有变压器隔离基本DC-DC变换器正激式变换器(ForwardConverter)反激式变换器(FlybackConverter)半桥式变换器(Half-BridgeConverter)桥式变换器(BridgeConverter)推挽变换器（Push-Pullconverter)2.1概述■开关调压的基本原理输出平均电压：改变可以改变输出电压2.1概述■占空比的定义开关接通的占空比定义为：其中：ton为开关导通时间，T为开关周期。■调节占空比的方法脉冲宽度调制（PWM）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。脉冲频率调制（PFM）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。2.1概述■Buck电路基本结构及其工作时的等效电路2.2降压式变换器■等效的电路模型及直流变换器稳态工作基本规律电感L和电容C组成低通滤波器，输出电压uo(t)就是us(t)的直流分量Uo再附加微小纹波uripple(t)。

有：——小纹波近似（稳态工作时，电容上的电压是直流分量和微小纹波的合成。）2.2降压式变换器■等效的电路模型及直流变换器稳态工作基本规律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——电容充放电平衡（稳态工作时一个开关周期内电容充放电平衡。）2.2降压式变换器■等效的电路模型及直流变换器稳态工作基本规律开关S置于1位时（Δt1)，电感电流增加（ΔI1)，电感储能；而当开关S置于2位时（Δt2)，电感电流减小（ΔI2)，电感释能。稳态状况下一个开关周期内电感平均磁链维持不变，电感电流平均增量为零（）——

电感伏秒平衡2.2降压式变换器■电感电流连续模式（CCM）下稳态工作波形分析分析过程假定：（1）忽略器件开关时间（2）忽略元器件工作损耗和寄生参数影响（3）忽略电路的分布参数影响（4）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。2.2降压式变换器晶体管导通状态（0

t

t1）VT开通、VD关断，Ud恒定，有：

（小纹波近似）则：基本恒定，电流线性变化有：

（io恒定，iC与iL同斜率）io2.2降压式变换器二极管导通模式（t1

t

t2）

VT关断，电感续流VD导通，有：输出电流线性减小，有：2.2降压式变换器io2.2降压式变换器■电感电流连续模式（CCM）下工作参数分析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：

其中：Iin为输入平均电流（直流电流），Io为输出直流电流，D为占空比，Ud为输入直流电压，Uo为输出直流电压。2.2降压式变换器考虑到稳态工作时电感伏秒平衡的特点，电容纹波峰峰值为：电感电流脉动峰峰值为：

——LC滤波器设计约束条件输出电容电压波形2.2降压式变换器■电感电流临界连续、断续工作模式简介2.2降压式变换器电感电流临界连续状态

电感电流断续状态对于CCM状态对于DCM状态■电感电流断续模式（DCM）下稳态工作波形分析0

t

t1时段（VT开通）VD关断，电路拓扑、电路方程与CCM状态一致，区别在于每个周期电感电流从零开始增长。t1

t

ts时段（VT关断）电感续流，VD开通，电路拓扑、电路方程与CCM状态一致，区别在于每个周期电感电流在ts时刻衰减到零。ts

tt2时段（VT、VD关断）电感电流为零，电感电压为零，电容放电供给负载。2.2降压式变换器2.2降压式变换器Buck电路电感电流连续的临界条件输出电流大于临界连续时电感平均电流，即：——LC滤波器设计约束条件之一实际应用时，一般不希望出现电流断续的情况！2.2降压式变换器课堂思考利用Buck电路设计一开关电源，计算电路相关参数。电路工作于电感电流连续状态，设计指标如下：（1）输入电压30V；（2）输出电压10V；（3）输出纹波峰峰值不大于100mV；（4）输出电流最大1A，最小100mA；（5）电源开关频率100kHz。2.2降压式变换器电路参数设计目标（1）电感参数设计：需得到电感量与最大峰值电流、最大有效值电流三个参数；（2）电容参数设计：需得到电容量与额定电压两个参数；（3）MOSFET开关管选择：需得到额定电流、额定电压两个参数；（4）二极管选择：需得到额定电流、额定电压两个参数。2.2降压式变换器设计方法（1）由输入输出电压关系，计算D（2）设计电感参数Buck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工作范围电感电流连续。由电感电流连续条件：2.2降压式变换器计算得到电感峰值电流有效值电流（3）计算电容参数由输出纹波要求实际可选取电容量为3.3µF以上。电容工作时承受最高电压为10V，可选额定电压为16V以上。2.2降压式变换器（4）计算MOSFET的额定电流、额定电压

由工作波形确定实际可选取参数：额定电流1.5A以上，额定电压50V以上。（5）计算二极管额定电流、额定电压与计算MOS管电流类似，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30V。实际可选二极管参数：额定电流1A以上，额定电压60V以上选择快速恢复二极管。2.2降压式变换器仿真练习将上述设计的Buck电路在PSIM中进行建模仿真，观察各波形。2.2降压式变换器■Boost电路基本结构及其工作时的等效电路2.3升压式变换器■电感电流连续模式（CCM）下工作波形分析晶体管导通状态（0t

t1=DT）VT开通、VD关断，有：2.3升压式变换器二极管VD导通模式（t1

t

t2=T

）VT关断，电感续流，VD导通，有：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）2.3升压式变换器2.3升压式变换器■电感电流连续模式（CCM）下工作参数分析电感伏秒平衡，有：忽略电路工作产生的损耗，输入输出能量守恒，有：2.3升压式变换器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：输出电压脉动很小，一个周期内电容充放电平衡，根据ic波形，Q的时间为DT，则输出纹波峰峰值为：——LC滤波器设计约束条件之一2.3升压式变换器■电感电流断续模式（DCM）下工作波形分析0

t

t1时段（VT开通）

VD关断，电路拓扑、电路方程与CCM状态一致，区别在于每个周期电感电流从零开始增长。t1

t

ts时段（VT关断）电感续流，VD开通，电路拓扑、电路方程与CCM状态一致，区别在于每个周期电感电流在ts时刻衰减到零。ts

tt2时段（VT、VD关断）电感电流为零，电感电压为零，电容放电供给负载。2.3升压式变换器2.3升压式变换器Boost电路电感电流连续的临界条件输出电流大于临界连续时二极管平均电流，即：——LC滤波器设计约束条件之一2.3升压式变换器课堂思考利用Boost电路设计一开关电源，计算电路相关参数。电路工作于电感电流连续状态，设计指标如下：（1）输入电压10V；（2）输出电压30V；（3）输出纹波峰峰值不大于300mV；（4）输出电流最大1A，最小100mA；（5）电源开关频率100kHz。2.3升压式变换器电路参数设计目标（1）电感参数设计：需得到电感量与最大峰值电流、最大有效值电流三个参数；（2）电容参数设计：需得到电容量与额定电压两个参数；（3）MOSFET开关管选择：需得到额定电流、额定电压两个参数；（4）二极管选择：需得到额定电流、额定电压两个参数。2.3升压式变换器设计方法（1）由输入输出电压关系，计算D（2）设计电感参数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。由电感电流连续条件：2.3升压式变换器计算得到有效值电流电感峰值电流（3）计算电容参数由输出纹波要求实际可选取电容量为22µF以上。电容工作时承受最高电压为30V，可选额定电压为50V以上。2.3升压式变换器（4）计算MOSFET的额定电流、额定电压

由工作波形确定实际可选取参数：额定电流5A以上，额定电压50V以上。（5）计算二极管额定电流、额定电压与计算MOS管电流类似，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30V。实际可选二极管参数：额定电流2A以上，额定电压60V以上选择快速恢复二极管。2.3升压式变换器仿真练习将上述设计的Boost电路在simulink中进行建模仿真，观察各波形。2.3升压式变换器■Buck-Boost电路基本结构及其工作时的等效电路2.4升降压式变换器■电感电流连续模式（CCM）工作波形分析晶体管导通状态（0t

t1=DT）VT开通、VD关断，有：2.4升降压式变换器二极管VD导通模式（t1

t

t2=T

）VT关断，电感续流，VD导通，有：

iL线性减小，电流为下降曲线。（斜率与电感电流相同）2.4升降压式变换器2.4升降压式变换器■电感电流连续模式（CCM）下工作参数分析电感伏秒平衡，有：忽略电路工作产生的损耗，输入输出能量守恒，有：2.4升降压式变换器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：输出电压脉动很小，一个周期内电容充放电平衡，根据ic波形，Q的时间为DT，则输出纹波峰峰值为：——LC滤波器设计约束条件之一2.4升降压式变换器■电感电流断续模式（DCM）下工作波形分析0

t

t1时段（VT开通）

VD关断，电路拓扑、电路方程与CCM状态一致，区别在于每个周期电感电流从零开始增长。t1

t

ts时段（VT关断）电感续流，VD开通，电路拓扑、电路方程与CCM状态一致，区别在于每个周期电感电流在ts时刻衰减到零。ts

tt2时段（VT、VD关断）电感电流为零，电感电压为零，电容放电供给负载。2.4升降压式变换器2.4升降压式变换器Buck-Boost电路电感电流连续的临界条件输出电流大于临界连续时二极管平均电流，即：——LC滤波器设计约束条件之一2.4升降压式变换器课堂思考利用Buck-Boost电路设计一开关电源，计算电路相关参数。电路工作于电感电流连续状态，设计指标如下：（1）输入电压15V；（2）输出电压10V~30V；（3）输出纹波峰峰值不大于100mV；（4）输出电流最大1A，最小100mA；（5）电源开关频率100kHz。2.4升降压式变换器电路参数设计目标（1）电感参数设计：需得到电感量与最大峰值电流、最大有效值电流三个参数；（2）电容参数设计：需得到电容量与额定电压两个参数；（3）MOSFET开关管选择：需得到额定电流、额定电压两个参数；（4）二极管选择：需得到额定电流、额定电压两个参数。2.4升降压式变换器设计方法（1）由输入输出电压关系，计算D（2）设计电感参数由电感电流连续条件（占空比最小状态）：2.4升降压式变换器计算得到有效值电流电感峰值电流（3）计算电容参数由输出纹波要求实际可选取电容量为100µF以上。电容工作时承受最高电压为30V，可选额定电压为50V以上。2.4升降压式变换器（4）计算MOSFET的额定电流、额定电压

由工作波形确定实际可选取参数：额定电流5A以上，额定电压90V以上。（5）计算二极管额定电流、额定电压与计算MOS管电流类似，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45V。实际可选二极管参数：额定电流2A以上，额定电压90V以上选择快速恢复二极管。2.4升降压式变换器仿真练习将上述设计的Buck-Boost电路在simulink中进行建模仿真，观察各波形。2.4升降压式变换器■正激变换电路基本结构及工作机理分析2.6正激式变换器■电感电流连续模式（CCM）工作波形分析晶体管导通状态（0tt1=DT）

VT导通，；副边N2感应正电压使VD1导通、VD2截止，副边N3感应电压与Ud叠加，使VD3截止，电感两端电压为：2.6正激式变换器晶体管关断状态（t1

t

t3＝T）绕组N1中的激磁电流转移到绕组N3中，VD3导通，N3

绕组电压为Ud；由于同名端的关系，N3绕组的电压具有反向去磁作用，形成磁复位；此时N2绕组感应电压导致VD1关断，电感L续流导致VD2导通，电感两端电压为：

在t2之前，励磁电流在N3

绕组续流，在Ud作用下线性小，导致变压器磁通密度BTr线性递减，至t2时刻降至零，磁路复位VD3关断，此时全部绕组均无电流，2.6正激式变换器2.6正激式变换器■电感电流连续模式（CCM）下工作参数分析稳态工作时电感伏秒平衡，有：

上式表明：正激DC-DC变换电路的输出电压平均值和Buck电路一样与D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0

t

t1

阶段磁链增量不能大于t1

t

t3阶段磁链衰减量，有：

这是正激变换器一个重要的约束条件。

2.6正激式变换器■电感电流断续模式（DCM）下工作波形分析0

t

t1时段（VT开通）VD2、VD3关断，VD1导通，电感电流从零开始增长。t1

t

ts时段（VT关断）N1励磁电流经N3续流，VD3开通，至t2时刻磁复位；VD1关断，电感续流VD2

导通，电感电流在ts时刻衰减到零。ts

tt3时段（VT、VD1、VD2、VD3关断）电感电流为零，电感电压为零，电容放电供给负载。2.6正激式变换器2.6正激式变换器■正激电路电感电流连续的临界条件输出电流大于临界连续时二极管平均电流，即：——LC滤波器设计约束条件之一2.6正激式变换器课堂思考设计一个正激式开关稳压电源，电源工作在CCM模式，设计要求如下：（1）输入直流电压100V~150V；（2）输出直流电压5V；（3）最大输出电流5A，最小输出电流100mA；（4）输出电压纹波峰峰值不大于100mV；（5）开关频率设定为100kHz。设计电路相关参数，变压器仅要求计算匝比、功率。2.6正激式变换器（1）变压器参数计算设定N1=N3，则最大占空比为0.5，最小输入电压时占空比达到最大，则N1、N2之比可由输入输出关系计算：变压器额定功率：2.6正激式变换器（2）输出滤波电感参数计算电感电流连续：极限状态满足要求：与Buck电路类似，电感最大峰值电流、最大有效值电流为：2.6正激式变换器（3）输出滤波电容参数计算参考Buck电路：实际可选取电容：额定容量不小于4.7μF，额定电压不小于16V。2.6正激式变换器（4）输出整流二极管参数计算VD1电流参数计算参考Buck电路MOS管：

额定电流VD2电流参数计算参考Buck电路二极管：

额定电流二极管承受的最大电压为15V。二极管可选择相同参数：额定电流5A以上，额定电压30V以上。2.6正激式变换器（5）MOS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N2/N1，因此MOS管通过的最大电流有效值为：根据MOS管工作波形，承受的最大电压为：MOS管选择参数：额定电流1A以上，额定电压500V以上。2.6正激式变换器（6）磁通复位绕组N3续流二极管VD3参数计算由于N1=N3，VD3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组的额定电流（VD3的额定电流）为主绕组额定电流（MOS管额定电流）的10%～30%。因此，VD3额定电流为：二极管承受的最大电压与MOS管相同，为：300V。VD3选择参数：额定电流0.2A以上，额定电压500V以上。2.6正激式变换器■反激变换电路基本结构及工作机理分析2.7反激式变换器■电感电流连续模式（CCM）工作波形分析晶体管导通状态（0tt1=DT）

VT导通，副边感应电势导致VD1截止，电感L1充电储能，有：2.7反激式变换器晶体管关断状态（t1

t

t2＝T）

VT关断，绕组N1中的励磁电流转移到绕组N2中续流，VD1导通，电感L1转移能量到副边绕组N2中，有：L2释放能量，电流流过VD1并线性下降，有

2.7反激式变换器2.7反激式变换器N1I11/N2■电感电流连续模式（CCM）下工作参数分析