第五章DCDC变换器

第5章

直流/直流变换器15直流/直流变换器5.0直流斩波电路5.1直流/直流降压变换器（BuckDC/DC变换器）

5.2

直流/直流升压变换器（BoostDC/DC变换器）

5.3

直流升压－降压变换器（Boost-Buck变换器或Cuk变换器）5.4复合斩波电路和多相多重斩波电路直流斩波电路（DCChopper）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。也称为直流--直流变换器（DC/DCConverter）。一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流—交流—直流。DC—DC变换器系统结构图电路种类6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。复合斩波电路——不同结构基本斩波电路组合。多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合。占空比

开关的导通时间与开关周期之比定义为开关的占空比D，占空比D可根据需要进行调整。

5.1直流/直流降压变换器（BuckDC/DC变换器）

5.1.1电路结构和降压原理5.1.2电感电流连续时工作特性5.1.3电感电流断流时工作特性5.1.1电路结构和降压原理

Buck变换器电路结构及降压原理图5.1(a)所示Buck变换器有两种可能的运行工况：电感电流连续模式(ContinuousCurrentMode)和电感电流断流模式（DiscontinuousCurrentMode）。电感电流连续是指图5.1(a)中电感电流在整个开关周期中都不为零；电感电流断流是指在开关管T阻断的期间后期一段时间内经二极管续流的电感电流已降为零。处于这两种工况的临界点称为电感电流临界连续状态，这时在开关管阻断期结束时，电感电流刚好降为零。图5.2(e)、(f)示出了电流连续和电流断流两种工况时的电压、电流波形。本节分析电流连续时Buck变换器的工作特性。CCMDCMLiSToffT5.1.2电感电流连续时工作特性图5.2Buck变换器电路图及其主要波形在整个开关周期中，流过电感的电流均不为零，被称为电流连续工况。这时Buck电路在一个开关周期期间输出电压波形为宽度为、数值为的矩形波电压。电路的开关状态和工作波形lvOvSi+-liCiOiSV(b)开关状态1，T导通D截止等值电路CLRRDSVoi+-lilv(c)开关状态2，D导通T阻断等值电路TovLCTEGRDSVSigVoioiCCi+-+-LLilvovEOvCoottttttgvTiLiEOvciovmaxLIminLImaxLIminLIoLII=QD2sToVoffTSvonTsTLiD+21LiD-21onToffTsTTiTiDiSv变压比、导通比的定义

变压比显然与电路结构和导通比都有关系，他们之间的关系可用多种方法推导。导通比（占空比）：变压比：用波形积分的方法求变压比vEO的直流分量V0为:CTEGRLODSVSigVovoiFoI(a)电路tgVonTonToffTsT(b)驱动信号(t)iVptwp-0)(EOovvioDVV=(c)输出电压波形2sT-2sTsTp2ODi用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量周期性函数可以分解为无限项三角级数——付立叶级数：用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量F(ωt)也可表达为：用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量

在许多实际的电力电子变换器中，由于电路开关通-断状态在时间上的对称性，使电压、电流波形具有某些特定的对称性，从而使其付立叶级数表达式中某些项系数为零，且其它项系数的计算也变得比较简单。物理上这种情况就是这时电流或电压波形中不存在某些电流或电压分量。比如：偶函数（奇函数）：正弦（余弦和常数）项系数为零；半波对称(镜对称)函数（奇谐波函数）：偶次谐波为零；直流分量、基波、谐波、纹波在直流电路中分解后的常量可看成所需要的直流量，谐波都是不需要的量。RSVTEGDSigVoioiCCibuck电路图+-+-LLilvovEOvCoo谐波一般用滤波器滤掉,滤波器的输出电压有纹波。在交流电路中一般不会有直流分量，分解出的最低次谐波常常称为基波，其他谐波一般都是不需要的分量。滤波RSVTEGDSigVoioiCCibuck电路图+-+-LLilvovEOvCoo滤波器电抗对谐波的阻抗为：滤波器电容对谐波的阻抗为：直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。如果：各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。用开关电路的稳态条件求变压比

在开关电路中，常常利用电路前一周期初始状态与后一周期初始状态相同这一条件来求电路的稳态运行表达式。电感电流、电感磁链电容电压、电容电荷用电感电流表达式求变压比T导通、D截止TEGRDSVSigVoioiCCi+-+-LLilvovEOvCooSi+-lilvCioiSVovCLR用电感电流表达式求变压比T截止、D导通TEGRDSVSigVoioiCCi+-+-LLilvovEOvCoo(c)开关状态2，D导通T阻断等值电路RDSVoi+-lilvTovLC用电感电流表达式求变压比稳态时：ttttttgvTiLiEOvciovmaxLIminLImaxLIminLIoLII=QD2sToVoffTSvonTsTLiD+21LiD-21onToffTsTTiTiDiSv输出电压波动量计算电容C在一个开关周期内的充、放电电荷为：ttttttgvTiLiEOvciovmaxLIminLImaxLIminLIoLII=QD2sToVoffTivonTsTLiD+21LiD-21onToffTsTTiTiDiivTEGRDSVSigVoioiCCi+-+-LLilvovEOvCoo降压电路的控制方法(2)PFM（PulseFrequencyModulation）

导通时间不变，导通的周期变化，导通比D也能发生变化，从而达到改变输出电压的目的，但D的变化范围有限。输出电压、输出电流中的谐波频率不固定，不利于滤波器的设计。

PWM（脉冲宽度调制）控制是DC/DC电路中最常用的控制方法。

(1)PWM（PulseWidthModulation）周期不变，导通的时间变化，即导通比D改变从而改变变压比，控制输出电压。5.1.3电感电流不连续时电路的运行状态

前面的分析都是基于电路工作中电感电流始终连续来分析的，当运行中电流不连续时，电路就会出现第三种开关状态，此时T、D都截止。

RDSVoi(d)开关状态3，T阻断D截止等值电路TCovTEGRDSVSigVoioiCCi(a)buck电路图+-+-LLilvovEOvCoo电感电流不连续对运行的影响tttttt(f)电感电流断流时主要波形ovciTiLigvmaxLImaxLIDiTiTiEOvSvovsTsoffTDT1'=sonDTT=Sv断流后：电感临界连续电流计算临界连续时：电感电流波形图tgvLioIonTttLiokI(a)(b)tLiokoII<(c)sTonT=STD1LLIiD=maxSDTmaxLLIi=D'offT'offT=okI>5.2直流-直流升压变换器（Boost变换器）+110VRSV+-oV220V++-LTCRSVLVLioici+-oVCO++-LDTCRSVLVLioici+-oVCO+110VRSV+-oV220V+-LLVLiCO+-理想Boost变换器的

开关状态和工作波形理想Boost变换器的变压比理想Boost变换器的变压比工作电流的平均值表达式假定负载电流平均值为IO输入电流和电感电流的电流平均值均为：通过二极管的电流ID等于负载电流IO（电容的平均电流为零）通过开关管T的电流平均值为：ttttgVTiLiDimaxLIminLImaxLImaxLIminLIminLIOLiIDII-==11(e)电感电流连续时波形图oonTsToffT+LDTCRSVLiDiciov工作电流的其他表达式电感电流的脉动量为：通过开关管T和D的电流最大值与电感电流的最大值相等：ttttgVTiLiDimaxLIminLImaxLImaxLIminLIminLIOLiIDII-==11oonTsToffT+LDTCRSVLiDicioV理想Boost变换器输出电压纹波的大小输出电压脉动等于开关管T导通期间电容C的电压变化量。可近似地由下式确定：理想Boost变换器开关器件所承受的最大电压

T和D所承受的最大电压理想情况下均与输出电压相等。电感电流连续—临界连续—不连续一个周期结束时电流大于零一个周期结束时电流刚好等于零一个周期未结束时电流就等于零图3.3电感电流波形图tgvLiLIonTttLiLKI(a)(b)tLiLI(c)sTonT=STD1LLIiD=maxSDTmaxLLIi=D'offT'offT=LK>ILK<I电感临界连续电流电感电流临界连续工况波形图电感电流断流的影响BOOST电路的运行与控制BOOST电路运行中一般也使用PWM控制；BOOST电路不能空载运行；BOOST电路运行时占空比不能接近1；BOOST电路输入电流脉动较小，运行中对电源的扰动小。5.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路升降压斩波电路

(buck-boostChopper)电路结构基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL升降压斩波电路及其波形a）电路图b）波形V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路数量关系稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即

所以输出电压为：（3-41）V处于通态uL=EV处于断态uL=-uo

上图b中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有：

由上式得：

结论当0<a<1/2时为降压，当1/2<a<1时为升压，故称作升降压斩波电路。也有称之为buck-boost变换器。其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。

otb)oti1i2tontoffILIL5.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路2)Cuk斩波电路V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路有电流。V断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路有电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。

Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图b）等效电路同理：数量关系

V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1

toff。由此可得：

优点（与升降压斩波电路相比）：输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。5.4复合斩波电路和多相多重斩波电路5.4.1

电流可逆斩波电路5.4.2

桥式可逆斩波电路5.4.3

多相多重斩波电路5.4.1

电流可逆斩波电路复合斩波电路——降压斩波电路和升压斩波电路组合构成多相多重斩波电路——相同结构的基本斩波电路组合构成

斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，又可再生制动。降压斩波电路能使电动机工作于第1象限。升压斩波电路能使电动机工作于第2象限。电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组合。此电路电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第1象限和第2象限。电流可逆斩波电路电路结构a)电路图V1和VD1构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第1象限。V2和VD2构成升压斩波电路，电动机作再生制动运行，工作于第2象限。必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路。工作过程（三种工作方式)第3种工作方式：一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。当一种斩波电路电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。电路响应很快。

电流可逆斩波电路及波形5.4.2桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路——两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压。

桥式可逆斩波电路

使