电力电子开关拓扑

电力电子开关拓扑第1页，课件共66页，创作于2023年2月2.1概述1、直流—直流变换电路及功能

直流－直流（DC－DC）变换电路是将一组电参数的直流电能变换为另一组电参数的直流电能的电路。

·直流电幅值变换

·直流电极性变换

·直流电路阻抗变换

·有源滤波第2页，课件共66页，创作于2023年2月2.1概述2、变换电路的分类（1）无变压器隔离：

·

降压式变换电路（Buck电路）

·

升压式变换电路（Boost电路

·

升降压式变换电路（Buck-Boost电路）

·

库克电路（Cuk电路）

·

Sepic电路

·

Zeta电路（2）变压器隔离：

·

正激式变换电路

·

反激式变换电路

·

桥式隔离变换电路

·

推挽变换电路第3页，课件共66页，创作于2023年2月2.1

概述3、基本概念（1）占空比的定义：开关接通的占空比定义为D，其中ton

为开关导通时间，TS为开关周期。（2）脉冲宽度调制（PWM）或脉冲频率调制（PFM）所谓脉冲宽度调制的方法是一种在整个工作过程中，开关频率不变，而开关接通的时间按照要求变化的方法。所谓脉冲频率调制的方法是一种在整个工作过程中，开关接通的时间不变，而开关频率按照要求变化的方法。第4页，课件共66页，创作于2023年2月开关导通时等效电路开关关断时等效电路基本电路结构2.2

降压式变换电路（Buck电路）一、BUCK电路基本结构第5页，课件共66页，创作于2023年2月二、等效的电路模型及基本规律（1）从电路可以看出，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤波器设计的原则是使us(t)的直流分量可以通过，而抑制

us(t)的谐波分量通过；电容上输出电压uo(t)就是us(t)的直流分量再附加微小纹波uripple(t)。

2.2降压式变换电路（Buck电路）第6页，课件共66页，创作于2023年2月（2）电路工作频率很高，一个开关周期内电容充放电引起的纹波uripple(t)很小，相对于电容上输出的直流电压Uo有：电容上电压宏观上可以看作恒定。

电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。2.2降压式变换电路（Buck电路）第7页，课件共66页，创作于2023年2月2.2降压式变换电路（Buck电路）

（3）一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升高，导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，最终维持电压不变。

这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。第8页，课件共66页，创作于2023年2月（4）开关S置于1位时，电感电流增加，电感储能；而当开关S

置于2位时，电感电流减小，电感释能。假定电流增加量大于电流减小量，则一个开关周期内电感上磁链增量为：

此增量将产生一个平均感应电势：此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零；一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。

这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量（磁链平均增量）为零的现象称为：电感伏秒平衡。

这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。2.2

降压式变换电路（Buck电路）

第9页，课件共66页，创作于2023年2月三、电感电流连续工作模式（CCM）下稳态工作过程分析开关导通时等效电路开关关断时等效电路BUCK电路结构2.2

降压式变换电路（Buck电路）

第10页，课件共66页，创作于2023年2月

a、晶体管导通状态（t0

t

t1=DT）VD关断，依据等效电路拓扑，有：由于电路工作频率很高，一个周期内ud和uo基本维持不变，可以视为恒定值，则（ud-uo）为常数，电流变化为线性，波形如图4-2，有：

（io恒定，iC与iL同斜率）2.2

降压式变换电路（Buck电路）

第11页，课件共66页，创作于2023年2月b、二极管VD导通模式（t1

t

t2=T

）晶体管关断，电感续流，二极管导通，依据电路等效拓扑有：同样，由于uo视为维持不变，则输出电流线性减小，波形如图4-2，有：

（io恒定，iC与iL同斜率）2.2

降压式变换电路（Buck电路）

第12页，课件共66页，创作于2023年2月第13页，课件共66页，创作于2023年2月四、电感电流连续工作模式（CCM）下基本输入输出关系

从等效电路模型的分析可以知道，电容上输出电压uo(t)就是us(t)

的直流分量再附加微小纹波

uripple(t)

，且，晶体管导通时，晶体管关断时，则us(t)

的直流分量为：忽略电路工作产生的损耗，输入输出能量守恒，则有：

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

输出直流电压2.2

降压式变换电路（Buck电路）

第14页，课件共66页，创作于2023年2月五、电感电流连续工作模式（CCM）下电感电流和输出电压脉动分析

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，依据前面的分析，晶体管导通时有：

考虑到输出电压脉动很小，有

iL

iC，且有一周期内电容充放电平衡，根据图4-2中ic波形，Q的时间为T/2，则电容纹波峰峰值为（充放电波形如图4－3）：

2.2降压式变换电路（Buck电路）

第15页，课件共66页，创作于2023年2月2.2

降压式变换电路（Buck电路）

电容充放电波形第16页，课件共66页，创作于2023年2月六、电感电流断续工作模式（DCM模式）简介

临界连续导通模式时

不连续导通模式时

对于CCM状态对于DCM状态2.2

降压式变换电路（Buck电路）

第17页，课件共66页，创作于2023年2月思考

已知：输入电压30V，输出电压10V，输出纹波100mV，输出电流最大1A，最小100mA，要求电路工作于电流连续状态，如何设计电路参数？2.2

降压式变换电路（Buck电路）

第18页，课件共66页，创作于2023年2月设计方法考虑：（1）由，计算LC的关系（2）最小输出电流与

的关系，见图中波形，由于电感电流连续，有，计算L的关系式。（3）由输入输出电压关系，计算D（4）由求得MOS管的最大电流，同时依据波形计算电流有效值，依此选择MOS管的电流。（5）MOS管的最高工作电压为输入电压，依此选择MOS管的耐压。

2.2

降压式变换电路（Buck电路）

第19页，课件共66页，创作于2023年2月一、Boost电路基本结构基本电路结构开关导通时等效电路开关关断时等效电路2.3

升压式变换电路（Boost电路）

第20页，课件共66页，创作于2023年2月二、电感电流连续工作模式（CCM）下稳态工作过程分析a、晶体管导通状态（0

t

t1=DT）

VD关断，依据等效电路拓扑，有：

由于ud维持不变，为恒定值，电流线性变化，有：

2.3

升压式变换电路（Boost电路）

第21页，课件共66页，创作于2023年2月b、二极管VD导通模式（t1

t

t2=T

）

晶体管关断，电感续流，二极管导通，依据等效电路拓扑：由于ud和u0

在一个周期内维持不变，iL线性变化，考虑电感伏秒平衡，此时电感电流增量应该小于零，电流为下降曲线。（斜率与电感电流相同）2.3

升压式变换电路（Boost电路）

第22页，课件共66页，创作于2023年2月第23页，课件共66页，创作于2023年2月三、电感电流连续工作模式（CCM）下基本输入输出关系

由于电感伏秒平衡，电路稳态工作时第一阶段（0

t

t1）和第二阶段（t1

t

t2=T

）的电流净增量相等,有：

其中：t2=TD=t1/T

忽略电路工作产生的损耗，输入输出能量守恒，则有：电路输入电流：2.3

升压式变换电路（Boost电路）

第24页，课件共66页，创作于2023年2月四、电感电流连续工作模式（CCM）下电感电流和输出电压脉动分析

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，依据前面的分析，晶体管导通时有：

考虑到输出电压脉动很小，一个周期内电容充放电平衡，根据图4-4中ic波形，Q的时间为DT，则电容纹波峰峰值为：2.3

升压式变换电路（Boost电路）

第25页，课件共66页，创作于2023年2月一、Buck-Boost电路基本结构基本电路结构开关导通时等效电路开关关断时等效电路2.4

直流升降压变换电路（Buck-Boost电路）

第26页，课件共66页，创作于2023年2月二、电感电流连续工作模式（CCM）下稳态工作过程分析a、晶体管导通状态（t0

t

t1=DT）

VD关断，依据等效电路拓扑，有：由于ud维持不变，为恒定值，电流线性增加，有：2.4

直流升降压变换电路（Buck-Boost电路）

第27页，课件共66页，创作于2023年2月b、二极管VD导通模式（t1

t

t2=T

）晶体管关断，电感续流，二极管导通，依据等效电路拓扑，有：

由于u0在一个周期内维持不变，iL线性减小，考虑电感伏秒平衡，此时电感电流增量应该小于零，电流为下降曲线，有：（斜率与电感电流相同）2.4

直流升降压变换电路（Buck-Boost电路）

第28页，课件共66页，创作于2023年2月第29页，课件共66页，创作于2023年2月三、电感电流连续工作模式（CCM）下基本输入输出关系

由于电感伏秒平衡，电路稳态工作时第一阶段（0

t

t1）和第二阶段（t1

t

t2=T

）电感的电流净增量相等,有：

忽略电路工作产生的损耗，输入输出能量守恒，则有：2.4

直流升降压变换电路（Buck-Boost电路）

第30页，课件共66页，创作于2023年2月四、电感电流连续工作模式（CCM）下电感电流和输出电压脉动分析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，依据前面的分析，晶体管导通时有：

考虑到输出电压脉动很小，一周期内电容充放电平衡，根据图4-6中ic波形，Q的时间为DT，则电容纹波峰峰值为：2.4

直流升降压变换电路（Buck-Boost电路）

第31页，课件共66页，创作于2023年2月一、CUK电路基本结构基本电路结构开关导通时等效电路开关关断时等效电路2.5

库克电路（CUK电路）

第32页，课件共66页，创作于2023年2月电路工作过程1、VT开通，电感L1充电储能，电容C1向电容C充电并向负载放电、对L2充电，由于C1上的电压作用，二极管VD

关断。2、VT关断，电感L1向电容C1转移能量，电容C1充电，电感

L2续流导致VD开通，L2向电容C充电并向负载放电。3、电容C1上电压高于输出电压和输入电压。2.5

库克电路（CUK电路）

第33页，课件共66页，创作于2023年2月二、电感电流连续工作模式（CCM）下稳态工作过程分析a、晶体管导通状态（t0

t

t1=DT）由于，VD关断，依据等效电路拓扑，对于电感L1有：电流线性增加同理，对于电感

L2有：电流线性增加

2.5

库克电路（CUK电路）

第34页，课件共66页，创作于2023年2月

斜率与电感电流相同b、二极管VD导通模式（t1

t

t2=T）依据等效电路拓扑，对于电感L1有：

2.5

库克电路（CUK电路）

第35页，课件共66页，创作于2023年2月对于电感L2有：由于电感伏秒平衡，此时电感电流增量应该小于零，电流为下降曲线

斜率与电感电流相同2.5

库克电路（CUK电路）

第36页，课件共66页，创作于2023年2月第37页，课件共66页，创作于2023年2月三、电感电流连续工作模式（CCM）下基本输入输出关系

由于电感伏秒平衡，电路稳态工作时第一阶段（0

t

t1）和第二阶段（t1

t

t2=T

）电感的电流净增量相等,可以得到：忽略电路工作产生的损耗，输入输出能量守恒，则有：

MOS管电流峰值：

2.5

库克电路（CUK电路）

第38页，课件共66页，创作于2023年2月四、电感电流连续工作模式（CCM）下电感电流和输出电压脉动分析

电感电流脉动：L1

L2

2.5

库克电路（CUK电路）

第39页，课件共66页，创作于2023年2月

输出电压脉动分析：晶体管导通：

L2电感电流平均值为I0

由于，输出电压电流脉动很小，有：流过电容的电流在一个周期内平均值为零，在T/2时间内有：输出电容电压脉动峰峰值：

2.5

库克电路（CUK电路）

第40页，课件共66页，创作于2023年2月五、电感电流连续工作模式（CCM）下电容C1上电压分析

晶体管导通状态（t0

t

t1=DT）下有：

二极管VD导通模式（t1

t

t2=T

）下有：由于电感伏秒平衡，有：2.5

库克电路（CUK电路）

第41页，课件共66页，创作于2023年2月一、正向激励电路的基本结构2.6

正向激励直流变换电路

（ForwardConverter）

第42页，课件共66页，创作于2023年2月二、正向激励电路的稳态工作过程分析a、晶体管导通状态（0≤t≤t1=DT）

副边（N2）感应正电压导致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：可以看出，电感电流线性增长，有：励磁电流线性增长，则有2.6

正向激励直流变换电路

（ForwardConverter）

第43页，课件共66页，创作于2023年2月b、晶体管关断状态（t1≤t≤t2＝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：电感电流线性减小，有：在t2之前，励磁电流在N3

绕组续流，在ud作用下线性减小，至t2时刻降至零，VD3关断，此时全部绕组均无电流，2.6

正向激励直流变换电路

（ForwardConverter）

第44页，课件共66页，创作于2023年2月第45页，课件共66页，创作于2023年2月三、基本输入输出关系分析考虑到电路稳态工作时电感伏秒平衡，第一阶段（t0≤t≤DT）和第二阶段（t1≤t≤T）的电感电流净增量相等。由t1=DT，t3-t1=(1-D)T

，可以得到：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。

2.6

正向激励直流变换电路

（ForwardConverter）

第46页，课件共66页，创作于2023年2月

为确保每个周期内磁路能够正常复位，第一阶段（t0≤t≤t1=DT）励磁能量必须于第二阶段（t1≤t≤T）完全释放，即对变压器而言，第一阶段形成的励磁电流必须于第二阶段衰减至零，否则就会造成变压器磁路饱和。假定对于N1绕组变压器励磁电感为Lm，变压器电流初值为零，则第一阶段的电流净增量为：此值即为变压器N1绕组励磁电流的峰值，第二阶段N1绕组励磁电流转移到N3绕组，经绕组N3续流衰减，则绕组N3续流电流初值为：2.6

正向激励直流变换电路

（ForwardConverter）

第47页，课件共66页，创作于2023年2月第二阶段绕组N3电流净减量为：为折算到绕组N3的励磁电感，有：为了确保能够完成磁复位，必须满足：，即：

这是正激变换电路一个重要的约束条件。2.6

正向激励直流变换电路

（ForwardConverter）

第48页，课件共66页，创作于2023年2月一、反向激励电路的基本结构2.7

反向激励直流变换电路

（FlybackConverter）

第49页，课件共66页，创作于2023年2月二、电流连续模式（CCM）下反激电路稳态工作过程分析a、晶体管导通状态（0≤t≤t1=DT）

副边感应电势导致VD1截止，电感L1充电储能，有：可以看出，电感电流线性增长，有：

则有：副边感应电压：

晶体管电流：2.7

反向激励直流变换电路

（FlybackConverter）

第50页，课件共66页，创作于2023年2月b、晶体管关断状态（t1≤t≤t2＝T

）绕组N1中的激磁电流转移到绕组N2中，VD1导通，电感L1转移能量到副边绕组N2中，有：L2电流线性下降，由于磁能不变，电流初值、终值有：

绕组N2的电感L2：

输出电压U0：2.7

反向激励直流变换电路

（FlybackConverter）

第51页，课件共66页，创作于2023年2月第52页，课件共66页，创作于2023年2月反向激励电路的特点：1、具有变压器隔离2、变压器先电感储存能量，然后传递储存能量3、Buck－Boost电路的变形2.7

反向激励直流变换电路

（FlybackConverter）

第53页，课件共66页，创作于2023年2月三、电流连续工作模式（CCM）下基本输入输出关系分析考虑到稳态工作时变压器磁路伏秒平衡，第一阶段（t0≤t≤t1=DT）和第二阶段（t1≤t≤T）的折算到原边或副边的电感电流净增量相等，由t1=DT，t3-t1=(1-D)T

，可以得到：

可以得出：

上式表明：反激DC-DC变换电路的输出电压平均值和Buck-Boost电路一样与D/(1-D)成正比，不同的是还与匝数有关。2.7

反向激励直流变换电路

（FlybackConverter）

第54页，课件共66页，创作于2023年2月一、Sepic电路和Zeta电路

输入输出关系：2.8

其它典型直流变换电路

Sepic电路结构第55页，课件共66页，创作于2023年2月2.8

其它典型直流变换电路Zeta电路结构输入输出关系：第56页，课件共66页，创作于2023年2月二、双向直流－直流变换电路2.8