直流-直流变换器

直流-直流变换器第一页，共155页。第一章直流/直流变换器1.1直流/直流降压变换器(Buck变换器)1.2直流/直流升压变换器(Boost变换器)1.3直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器)1.4直流升压-降压变换器(Cuk变换器)1.5带隔离变压器的直流/直流变换器#1.6开关直流电源的控制第二页，共155页。1.1直流/直流降压变换器(Buck变换器)1.2直流/直流升压变换器(Boost变换器)1.3直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器)1.4直流升压-降压变换器(Cuk变换器)1.5带隔离变压器的直流/直流变换器#1.6开关直流电源的控制第三页，共155页。Buck变换器的推导工作原理外特性元器件选择和设计1.1Buck变换器第四页，共155页。Buck变换器的推导工作原理外特性元器件选择和设计1.1Buck变换器第五页，共155页。

Ui=100VUo=50VIo=10A设计要求：直流变换器第六页，共155页。

Ui=100VUo=50VIo=10A设计要求：直流变换器：电阻分压=UoIo/UiIo=Uo/Ui

=50/100=50%Ploss=5010=500(W)UR=100-50=50(V)效率太低!!!无法自动稳压!第七页，共155页。

Ui=100VUo=50VIo=10A设计要求：直流变换器：线性模式=UoIo/UiIo=Uo/Ui

=50/100=50%UQ=100-50=50(V)效率太低!!!无法自动稳压!PQ=UQ

IQ=5010=500(W)可以自动稳压!第八页，共155页。

Ui=100VUo=50VIo=10A设计要求：直流变换器：开关模式Ton：导通时间Ts：开关周期D：占空比50V第九页，共155页。

Ui=100VUo=50VIo=10A设计要求：Qon:PQ(on)=Vces

Io0

100%Ploss

0Qoff:PQ(off)=VinIceo0直流变换器：开关模式可以自动稳压!

效率很高！第十页，共155页。滤波器续流二极管DBuck变换器降压式变换器LfCf第十一页，共155页。第十二页，共155页。Buck变换器的推导工作原理外特性元器件选择和设计1.1Buck变换器第十三页，共155页。QON工作原理：电感电流连续AB第十四页，共155页。QOFFAB第十五页，共155页。输入电压与输出电压之间的关系占空比脉冲宽度调制(Pulse-WidthModulation)脉冲频率调制Pulse-FrequencyModulation第十六页，共155页。输出电流平均值滤波电感电流脉动值Q：当Ui和Uo一定时，如果负载

电流变化，电感电流脉动是否变化？A：不变！滤波电感电流的最大值和最小值为第十七页，共155页。工作原理：电感电流断续第十八页，共155页。Buck变换器的推导工作原理外特性元器件选择和设计1.1Buck变换器第十九页，共155页。电感电流临界连续电感电流连续临界电流值，即负载最小电流：ILfmin=0?第二十页，共155页。电感电流临界连续相同的Ui(恒定)，不同的U0。第二十一页，共155页。电感电流断续输出平均电流：第二十二页，共155页。Buck变换器的外特性外特性：电感电流连续时：电感电流断续时：Q：如果Ui和占空比不变，当电感电流断续时，为何Uo升高？第二十三页，共155页。D值越小，电流IG越大，要求Lf越大。不同的Ui，相同的U0(恒定)。第二十四页，共155页。Buck变换器的推导工作原理外特性元器件选择和设计1.1Buck变换器第二十五页，共155页。Buck变换器的元器件参数选择已知条件：输入电压Ui(变化范围)

输出电压Uo

输出电流Io

输出电压稳定精度输出电压纹波元器件参数选择：功率晶体管二极管滤波电感滤波电容第二十六页，共155页。变换效率的近似计算双极性晶体管如果fs>20kHz，可近似认为其导通损耗等于开关损耗。功率MOSFET如果fs<100kHz，可忽略其开关损耗。第二十七页，共155页。功率晶体管选择：类型开关频率晶体管类型选择功率管类型<20kHz20~50kHz>50kHz低频功率管开关功率管功率MOSFET如果功率较大，可选用IGBT。第二十八页，共155页。功率晶体管电压和电流应力平均电流：峰值电流：电压应力：功率晶体管ICM>2IQPU(BR)ceo>2Ui第二十九页，共155页。二极管类型选择开关二极管、快恢复二极管或者FRED；二极管类型选择输出电压较低时，如5V以下，需要采用功率MOSFET来替代整流二极管，即同步整流。电压低于40V时，可选用肖特基二极管；第三十页，共155页。二极管电压和电流应力平均电流：有效值电流：电压应力：UDR>2Ui第三十一页，共155页。滤波电感量的计算ΔILf过小，Lf太大。ΔILf过大，Lf太损耗太大，且Uo脉动大。工程上一般取ΔILf=20%Io。在10%Io时，电感电流连续。理论上第三十二页，共155页。滤波电容量的计算输出电流脉动很小ΔILf全部流过电容电压纹波第三十三页，共155页。第三十四页，共155页。第三十五页，共155页。第三十六页，共155页。第一章直流/直流变换器1.1直流/直流降压变换器(Buck变换器)1.2直流/直流升压变换器(Boost变换器)1.3直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器)1.4直流升压-降压变换器(Cuk变换器)1.5带隔离变压器的直流/直流变换器第三十七页，共155页。Boost变换器的推导工作原理外特性元器件选择和设计1.2Boost变换器第三十八页，共155页。Boost变换器的推导Uo<UiUo>Ui第三十九页，共155页。Boost变换器的推导工作原理外特性元器件选择和设计1.2Boost变换器第四十页，共155页。QON电感电流连续(1)第四十一页，共155页。QOFF电感电流连续(2)第四十二页，共155页。输入电压与输出电压之间的关系电感电流连续(1)第四十三页，共155页。电感电流断续(1)第四十四页，共155页。Boost变换器的推导工作原理外特性元器件选择和设计1.2Boost变换器第四十五页，共155页。电感电流临界连续电感电流连续临界电流值，即负载最小电流：ILbmin=0第四十六页，共155页。第四十七页，共155页。电感电流断续输出平均电流：第四十八页，共155页。Boost变换器的外特性外特性：电感电流连续时：电感电流断续时：第四十九页，共155页。Boost变换器的推导工作原理外特性元器件选择和设计1.2Boost变换器第五十页，共155页。平均输入电流：峰值电流：电压应力：功率晶体管ICM>2IQPU(BR)ceo>2Uo功率晶体管第五十一页，共155页。有效值电流：电压应力：平均电流：二极管UBR>2Uo第五十二页，共155页。电感量：升压电感临界连续输出电流：Uo恒定Ui恒定第五十三页，共155页。电容量：滤波电容输出电压纹波：电容放电电容充电第五十四页，共155页。第五十五页，共155页。第五十六页，共155页。第一章直流/直流变换器1.1直流/直流降压变换器(Buck变换器)1.2直流/直流升压变换器(Boost变换器)1.3直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器)1.4直流升压-降压变换器(Cuk变换器)1.5带隔离变压器的直流/直流变换器第五十七页，共155页。Buck-Boost变换器的推导工作原理元器件选择和设计1.3Buck-Boost变换器第五十八页，共155页。Buck-Boost变换器的推导Uo<UiUo>Ui第五十九页，共155页。第六十页，共155页。输入输出反极性！第六十一页，共155页。Buck-Boost变换器的推导工作原理元器件选择和设计1.3Buck-Boost变换器第六十二页，共155页。Q导通第六十三页，共155页。Q关断第六十四页，共155页。输入输出关系D<0.5，Uo<UiD>0.5，Uo>Ui第六十五页，共155页。Buck-Boost变换器的推导工作原理

元器件选择和设计1.3Buck-Boost变换器第六十六页，共155页。输入电流：电感电流平均值：电压应力：功率晶体管输出电流：功率晶体管电流平均值：电流最大值：第六十七页，共155页。二极管有效值电流：电压应力：平均电流：第六十八页，共155页。电感量：电感电感电流脉动：第六十九页，共155页。电容量：滤波电容输出电压纹波：电容放电电容充电第七十页，共155页。

桥式变换电路使V4保持通时，V1、VD1和V2、VD2等效为又一组可逆斩波电路，向电动机提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。使V2保持通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限。第七十一页，共155页。多相多重斩波电路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3io多相多重斩波电路及其波形a）电路图b）波形

■多相多重斩波电路

◆是在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成的。

◆相数:一个控制周期中电源侧的电流脉波数。

◆重数：负载电流脉波数。■3相3重降压斩波电路

◆电路及波形分析

☞相当于由3个降压斩波电路单元并联而成。

☞总输出电流为3个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的3倍，脉动频率也为3倍。第七十二页，共155页。作业61、分析降压和升压斩波电路的工作原理。2、在降压斩波电路中，Ui=30-50V，输出电压U0=20V，负载R=2-20，PWM控制周期TS=40s。试计算输出电压纹波小于1%、电感电流连续时，电感最小值和电容值，并选取开关管和二极管，电感电流的最大和最小值。3、在升压斩波电路中，Ui=30-50V，负载R=10-50，PWM控制周期TS=50s。试计算输出电压U0=100V、纹波小于1%和电感电流连续时，电感最小值和电容值，并选取开关管和二极管，电感电流的最大和最小值。4、5－9第七十三页，共155页。第一章直流/直流变换器1.1直流/直流降压变换器(Buck变换器)1.2直流/直流升压变换器(Boost变换器)1.3直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器)1.4直流升压-降压变换器(Cuk变换器)1.5带隔离变压器的直流/直流变换器第七十四页，共155页。Cuk变换器的推导工作原理元器件选择和设计电流断续模式耦合电感的Cuk变换器隔离式Cuk变换器1.4Cuk变换器第七十五页，共155页。Cuk变换器的推导镜像翻转滤波电容和二极管交换位置Cf和Q改变位置Lf移到上面第七十六页，共155页。第七十七页，共155页。输入输出反极性！共用Q、D、Cf第七十八页，共155页。Cuk变换器的推导工作原理元器件选择和设计电流断续模式耦合电感的Cuk变换器隔离式Cuk变换器1.4Cuk变换器第七十九页，共155页。Q导通第八十页，共155页。Q关断第八十一页，共155页。输入输出关系Uo既可高于Ui，又可低于Ui。第八十二页，共155页。Cuk变换器的推导工作原理元器件选择和设计电流断续模式耦合电感的Cuk变换器隔离式Cuk变换器1.4Cuk变换器第八十三页，共155页。电压应力：功率晶体管电流平均值：电流最大值：第八十四页，共155页。二极管有效值电流：电压应力：平均电流：第八十五页，共155页。电感电感L1的电流脉动：电感L2的电流脉动：第八十六页，共155页。电容电容C1的选择：电容C2的选择：Q导通，C1放电；Q截止，C1充电。与Buck变换器类似Cuk变换器利用C1进行能量传递，充放电电流很大，因此要选择低损耗的高频电解电容。第八十七页，共155页。Cuk变换器的推导工作原理元器件选择和设计电流断续模式耦合电感的Cuk变换器隔离式Cuk变换器1.4Cuk变换器第八十八页，共155页。电流断续模式所谓电流断续模式，是指二极管电流断续！第八十九页，共155页。Cuk变换器的推导工作原理元器件选择和设计电流断续模式耦合电感的Cuk变换器隔离式Cuk变换器1.4Cuk变换器第九十页，共155页。**耦合电感的Cuk变换器第九十一页，共155页。电感脉动第九十二页，共155页。Cuk变换器的推导工作原理元器件选择和设计电流断续模式耦合电感的Cuk变换器隔离式Cuk变换器1.4Cuk变换器第九十三页，共155页。隔离式Cuk变换器第九十四页，共155页。1.1.5Zeta变换器和Sepic变换器第九十五页，共155页。Zeta变换器Sepic变换器*输入输出同极性！Zeta变换器和Sepic变换器Sepic:Single-endedprimaryinductanceconverterR.P.Massey,andE.C.Snyder,“High-voltagesingle-endeddc-dcconverter,”inProc.IEEEPESC,1977,pp.156-159第九十六页，共155页。6种基本变换器的比较BuckBoostBuck-BoostCukZetaSepicConverterVoltageConversionRatioOutputVoltagePolarityInputCurrentRippleOutputCurrentRipple++++__LargeSmallConfigu-rationSimpleSimpleSimpleComplexComplexComplexLargeLargeLargeLargeSmallSmallSmallSmallSmallLargeTopology第九十七页，共155页。第一章直流/直流变换器1.1直流/直流降压变换器(Buck变换器)1.2直流/直流升压变换器(Boost变换器)1.3直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器)1.4直流升压-降压变换器(Cuk变换器)1.5带隔离变压器的直流/直流变换器第九十八页，共155页。正激变换器的推导工作原理基本数量关系1.5.1正激(Forward)变换器第九十九页，共155页。正激变换器的推导工作原理基本数量关系1.5.1正激(Forward)变换器第一百页，共155页。第1步：加入隔离变压器；第2步：加入磁复位电路；第3步：加入整流二极管。正激变换器的推导第一百零一页，共155页。第一百零二页，共155页。第一百零三页，共155页。正激变换器的推导工作原理基本数量关系1.5.1正激(Forward)变换器第一百零四页，共155页。Q导通N1的激磁电感第一百零五页，共155页。Q关断：磁复位第一百零六页，共155页。Q关断：磁复位完成变压器磁复位完成第一百零七页，共155页。正激变换器的推导工作原理基本数量关系1.5.1正激(Forward)变换器第一百零八页，共155页。输入输出关系第一百零九页，共155页。最大占空比第一百一十页，共155页。开关管、二极管的电压应力第一百一十一页，共155页。N1>N3Dmax>0.5UQ>2UiN1<N3Dmax<0.5UQ<2UiN1=N3Dmax=0.5UQ=2Ui复位绕组匝数的选择第一百一十二页，共155页。工作原理外特性变换器设计与Buck-Boost变换器的关系1.5.2反激(Flyback)变换器第一百一十三页，共155页。工作原理外特性变换器设计与Buck-Boost变换器的关系1.5.2反激(Flyback)变换器第一百一十四页，共155页。反激变换器第一百一十五页，共155页。Q导通变压器相当于一个电感电感储能；负载由滤波电容提供能量。第一百一十六页，共155页。Q关断电感释放能量给负载供电。变压器相当于一个电感第一百一十七页，共155页。输入输出关系升降压变换器第一百一十八页，共155页。工作原理外特性变换器设计与Buck-Boost变换器的关系1.5.2反激(Flyback)变换器第一百一十九页，共155页。不同负载情况第一百二十页，共155页。电流断续时的输入输出关系第一百二十一页，共155页。Flyback变换器的外特性电流断续时：电流连续时：电流临界连续时：D=1/2D值越小，电流IG越大，要求L1越大。第一百二十二页，共155页。工作原理外特性变换器设计与Buck-Boost变换器的关系1.5.2反激(Flyback)变换器第一百二十三页，共155页。I1I2电感电流工作模式比较电流断续时：电流连续时：如果Po相等，CCM时器件的电流峰值比DCM的小！第一百二十四页，共155页。变压器匝比比较晶体管电压应力：二极管电压应力：变压器匝比的选择灵活性很大！UQ

UD

UQ

UD

根据实际可采购到的晶体管、二极管的电流、电压定额和价格来合理选择匝比。第一百二十五页，共155页。工作原理外特性变换器设计与Buck-Boost变换器的关系1.5.2反激(Flyback)变换器第一百二十六页，共155页。FlybackBuck/Boost电感释能电感储能两种变换器对比第一百二十七页，共155页。第1步：加入隔离变压器；第3步：调整变压器次级位置；第2步：将Lc和变压器集成在一起，用激磁电感代替Lc；第4步：将Q移到下面。Buck-Boost到Flyback的演变第一百二十八页，共155页。1.6半桥电路S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压。改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态;当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。1）工作过程S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO第一百二十九页，共155页。S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。2）数量关系当滤波电感L的电流连续时：

如果输出电感电流不连续，输出电压U0将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，

第一百三十页，共155页。1.7全桥电路全桥电路中，互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。当S1与S4开通后，VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐渐上升；1）工作过程S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOOS2与S3开通后，二极管VD2和VD3处于通态，电感L的电流也上升。当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。第一百三十一页，共155页。如果S1、S4与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。2）数量关系滤波电感电流连续时：

输出电感电流断续时，输出电压Uo将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下：第一百三十二页，共155页。1.8推挽电路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO推挽电路中两个开关S1和S2交替导通，在绕组N1和N,1两端分别形成相位相反的交流电压。S1导通时，二极管VD1处于通态，电感L的电流逐渐上升。S2导通时，二极管VD2处于通态，电感L电流也逐渐上升1）工作过程当两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍Ui。S1和S2同时导通，相当于变压器一次侧绕组短路，因此应避免两个开关同时导通。第一百三十三页，共155页。2）数量关系滤波电感L电流连续时：输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，第一百三十四页，共155页。电路优点缺点功率范围应用领域正激电路较简单，成本低，可靠性，驱动电路简单变压器单向激磁，利用率低几百W~几kW各种中、小功率电源反激电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低几W~几十W小功率电子设备、计算机设备、消费电子设备电源。全桥变压器双向励磁，容易达到大功率结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路几百W~几百kW大功率工业用电源、焊接电源、电解电源等半桥变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本低有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路几百W~几kW各种工业用电源，计算机电源等推挽变压器双向励磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单有偏磁问题几百W~几kW低输入电压的电源各种不同的间接直流变流电路的比较第一百三十五页，共155页。1.9全波整流和全桥整流双端电路中常用的整流电路形式为全波整流电路和全桥整流电路。1）全波整流电路的特点优点：电感L的电流回路中只有一个二极管压降，损耗小，而且整流电路中只需要2个二极管，元件数较少。缺点：二极管断态时承受的反压较高，对器件耐压要求较高，而且变压器二次侧绕组有中心抽头，结构较复杂。适用场合：输出电压较低的情况下（<100V）。a）全波整流电路b）全桥整流电路第一百三十六页，共155页。2）全桥电路的特点优点：二极管在断态承受的电压仅为交流电压幅值，变压器的绕组简单。缺点：电感L的电流回路中存在两个二极管压降，损耗较大，而且电路中需要4个二极管，元件数较多。适用场合：高压输出的情况下。a）全波整流电路b）全桥整流电路第一百三十七页，共155页。3）同步整流电路：当电路的输出电压非常低时，可以采用同步整流电路，利用低电压MOSFET具