电力电子技术课件：直流直流变换器

3直流/直流变换器DC/DC变换器3直流/直流变换器3.1直流/直流降压变换器(BUCK)3.2直流/直流升压变换器(Boost)3.3直流/直流升降压变换器

3.3.1直流/直流降升压变换器(Buck-Boost)

3.3.2Cuk变换器

3.3.3Sepic变换器

3.3.4Zita变换器3.4两象限、四象限直流/直流变换器3.5多相多重直流/直流变换器3.6隔离直流/直流变换器

3.6.1隔离型Buck变换器—单端正激变换器

3.6.2隔离型Buck-Boost变换器—单端反激变换器

3.6.3隔离型Cuk变换器3.7具有中间交流环节（DC-AC-DC）变压器隔离型直流变换电源

Ui=100V

Uo=50VIo=10A设计要求：直流变换器：电阻分压

=UoIo/UiIo=Uo/Ui

=50/100=50%Ploss=50

10=500(W)UR=100-50=50(V)

效率太低!!!

无法自动稳压!

Ui=100V

Uo=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=50

10=500(W)

可以自动稳压!

Ui=100V

Uo=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

Ui=100V

Uo=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！PWM控制的基本原理

PWM（PulseWidthModulation）脉宽调制：控制脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，改变占空比来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）PFM（PulseFrequencyModulation）脉冲频率调制：固定脉冲的高低状态之一的宽度，改变另一项来达到调节占空比的目的PWM控制的基本原理采样控制理论基础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；冲量指窄脉冲的面积；效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同；将输出波形进行付氏分解，低频段非常接近，仅在高频段略有差异。典型惯性环节就是电感负载。形状不同而冲量相同的各种窄脉冲如SPWM：正弦波脉宽调制，用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等；脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可全控型开关电路

构成特点：---无损耗器件（损耗小）------储能元件：电容，电感------隔离变压元件：高频变压器------开关元件：半导体器件（全控器件和二极管）工作特点：开关工作方式，高频化电路特点：半导体器件高频开关工作电路小型化，高效率电路分类：按开关管数量分：------单晶体管电路------多晶体管电路按是否隔离分：------隔离型------非隔离型单晶体管电路电路特点：单个开关功率管，电路简单，适于中小功率基本电路----六个：降压式（Buck）升压式（Boost）升/降压式（Boost/Buck）丘克变换器（Cuk）Zeta变换器Sepic变换器dc/dc变换基本电路拓扑直流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—直流直流斩波电路的种类---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，---其中前两种是最基本的电路复合斩波电路不同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直流斩波器图中所示电路，即为直流斩波器（Chopper）直流斩波器当Q导通时，工作状态直流斩波器当Q关闭时，工作状态：直流斩波器输出电压平均值：

式中T为开关周期，TON为导通时间，D为为斩波占空比平均负载电流Io=Uo/RL直流斩波器改变占空比，就可以改变输出电压输入功率等于输出功率：斩波器输入电阻：直流斩波器尽管能实现电压的幅值控制但是输出纹波过大负载上电压和电流脉动大通常在负载端加上LC滤波环节，以减小输出电压纹波经过电路变换，就有BUCK降压变换器滤波器续流二极管DBuck变换器降压式变换器LfCf3.1直流/直流降压式变换器

（BuckConverter）(1)电路构成Q,D,L,C四个元件Q为全控型半导体器件假设：Ui为理想直流电压源；C很大,UO为直流电压；器件为理想的BuckConverter(2)基本工作原理Q管导通期间(Ton)状态1:Uce=0UA=Ui，DOFF,L储能，iL增大Q管OFF期间(Toff)（状态2:UD=0，UA=0，Uce=Ui，L释能，iL减小BuckConverter

(2)基本工作原理工作方式定义：

iL连续模式（CCM）（continuousconductionmode）在一个开关周期内电感电流均大于零。iL断续模式（DCM）（discontinuousconductionmode）在Q管OFF期间(Tof)电感电流下降到零，故增加一个iL=0的工作状态3BUCK电路模态分析当Q导通时：设T内Ui和Uo不变电感电流线性上升BUCK电路模态分析当Q截止时，有：电感电流线性下降：BUCK电路模态分析因为在稳态时（每周期相同）联立以上各式：Uo=DUi输出电流平均值：脉冲宽度调制(Pulse-WidthModulation)脉冲频率调制Pulse-FrequencyModulationBuckConverter工作原理t=0时刻驱动V导通，电源向电感充电，同时向负载供电t=t1时刻控制V关断，负载电流经二极管VD续流，电感放电电感电流的交流分量为电容电流电感电流的直流分量为负载直流电流大小BuckConverter外特性变换器的外特性：在D恒定时，变换器的输在出电压与输出电流的关系电感电流连续时，输出电压与负载电流无关，仅和输入电压和占空比有关电流临界连续状态当负截电流减少到iomin＝0时iomax=ΔiL，定义这种状态为临界电流连续对应临界电流连续时的输出负载电流平均值为对应临界电流连续时的电感临界连续电流IGIG=Iomin=iomax/2=ΔiL/2电流临界连续状态由于临界电流连续仍满足连续时工作分析，所以有：

Uo=DUi联立求出：临界连续电流当D＝0.5时，临界电流达到最大值：所以:临界电流与占空比关系IG与IGMAX的关系如图当I0大于IG时，电流连续，输出电压仅与占空比相关当I0小于IG时，电流断续电流断续时波形分析Q导通时，工作状态同前，电流从零上升Q关断时，电感释放电能，电流下降当电感电流下降到零时，电感上压降为零设关断时间为TOF，电流下降到零的时间TOF’电流断续时分析断续时，输出电流的平均值：式中TOF’为晶体管关断后电流持续时电流断续时分析断续时电流的增量与减量同样是平衡的：代入，化简，有：电流断续时分析将TOF’代入即有输出电流：得到输出电压：标幺曲线可以作出U0/Ui=f(IG/IGMAX)曲线：标幺可以作出外特性：图中弧线为临界连续曲线，即为分界线右边为电流连续，输出电压只与占空比相关左边为电流断续，输出电压与负载电流也有关标幺曲线在电流断续时特性当电流断续时，变换器存在很高的非线性内阻电流断续时，维持同一输出电压，占空比变化很大(以UO/Ui为0.6为例)，易失控当I＝0时，输出电压均为输入电压在实际工作中，应保证连续工作，以最小电流作为电感电流临界连续设计电感降压式变换器小结输出输入电压关系式

---CCM工作模式降压式变换器小结

---iL临界连续时：

UO=DUiiL临界连续时输出电流IG=ΔiL/2=UiTD(1-D)/2/LD=0.5时，IG=IGmax

IGmax=UiT/8/LIG=4IGmaxD(1-D)降压式变换器小结---DCM工作模式降压式变换器小结iL连续时：Uo与负载大小无关

UO=DUi,D=TON/T

iL断续时：电路参数选择设计条件：输入直流电压的额定值以及变化范围输出电压、输出电流最大值和最小值输出电压的稳定度及纹波电压要求等效率估算假定晶体管的开关损耗等于导通损耗（f<20kHz）电路参数选择（功率管）假定MOSFET的在低于100kHz时，不考虑开关损耗功率管平均电流功率管最大电流式中Iomax和IGmax为最大输出电流与最大临界电流电路参数选择（功率管）一般取功率晶体管的最大电流Icm

Icm>2IQp功率管的电压满足：功率管选择根据工作频率选功率管的类型在20kHz以下，可选择普通低频功率管；20一50kHz可选开关功率管；50kHz以上应选择功率MOSFET；大功率应用，可选择IGBT电路参数选择（二极管）二极管一般选开关二极管，快恢复二极管，在低压场合最好选肖特基二极管二极管的平均电流和有效电流为二极管的电压满足电路参数选择（电感）为保证电感在所有工作条件下电感电流连续，有：Iomin=IG将Iomin代入IG表达式，即得到电感L：如果电流过小，会造成电感量过大，所以有时可加入假负载以提高最小电流;或局部工作在断续模式若输出负载恒定，为减小纹波，在进行电感量计算时，将IG进行减小处理:IG=(1/5~1/3)Iomax

电路参数选择（电容）电容电流的脉动量近似即为电感电流的脉动量电容电流在1/2周期内充电，在1/2周期内放电所以，电容电流：所以电容纹波电压：电路参数选择（电容）根据输出纹波大小即可以确定输出电容大小：考虑到等效电阻和串联电感，实际的电容特性电路参数选择（电容）低频时，1/ωC>>Rs,ωLs，电容呈容性随着工作频率的增高，电容器的1/ωC小，而Rs,ωLs

相对的影响逐渐增大对于开关瞬间的高次谐波电容已无抑制作用电路参数选择（电容）由于这些影响，实际的C选取：对于高频开关电路，应采用ESR，ESL尽可能小的高频电容在高频应用时，电容量应在计算的基础上适当放大采用多个电容关联，可减小ESR影响为抑制尖峰，常用高质量无极性电容与电解电容并联降压式变换器(5)参数选择与设计开关功率管:U(BR)ceo,ICM>2IQP二极管:电感：降压式变换器

(5)参数选择与设计

电容开关频率与LC大小的关系：f大LC小对电容的要求：高频性能好分析方法小结：推导输出电压和输入电压关系式方法：

CCM方式：电感电流上升量=电感电流下降量

TON期间磁通变化量=TOFF期间磁通变化量

DCM方式流过输出滤波电容前元件的电流平均值=Io稳态工作特点稳态时储能元件一个开关周期具有以下特点：电感L：电流变化量/伏秒面积为零电容C：电压变化量/安秒面积为零变压器：磁通变换量/伏秒面积为0能量守恒原则：储能能量=释放能量输入输出有功功率相等实际降压式变换电路由于晶体管、二极管有导通压降，电感有寄生电阻，可简化成串联电阻（线圈电阻与半导体器件导通电阻之和）：所以有输出电压表达式：实际降压式变换电路输出电压随着电流的上升有一定的下降对应特性的虚线部分第12次作业：1推导Buck电路CCM模式输出电压及其纹波公式及以负载电阻描述的电流连续条件。2Buck电路，Vi=100—220V，f=20kHz，Vo=100V，R=200Ω，L=1.25mH，画出输入电压对占空比的曲线。3

降压式变换器输人电压为27V士10%，输出电压为15V．最大输出功率为120W，最小输出功率为10W。MOSFET和二极管导通电阻0.2Ω，轻载时关断时问为5μs，忽略开通时间，若工作频率为30kHz。求：1）占空比变化范围；2）保证整个工作范围电感电流连续时电感值；3）限输出纹波电压100mV时滤波电容值；4）如电感线圈电阻为0.2Ω，计算最大占空比和最小效率。3.2升压电路(Boost)电路结构和工作原理假设L值、C值很大电感电流连续:两种开关状态

Boost电感电流连续开关管T导通：D截止，VL=Vi，L*di/dt=Vi

ΔiL+=Vi*Ton/L=ViDT/L,iL线性增加

C放电供负载开关管T截止：D导通，VL=Vi-Vo而Vo>ViL*di/dt=Vi-Vo，iL线性减小,C充电

ΔiL-=(Vo-Vi)*Tof/L=(Vo-Vi)(1-D)T/LBoost电感电流连续稳态：ΔiL=ΔiL+=ΔiL-=ViDT/L=(Vo-Vi)(1-D)T/L=VoD(1-D)T/LM=Vo/Vi=1/(1-D)Ii=VoIo/Vi=Io/(1-D)ITmax=IDmax=ILmax=Ii+ΔiL/2VT=VD=VoΔii=ΔiLBoost电感电流断续3种工作状态Boost电路工作波形Boost电路临界连续电流iL=输入电流，ID=Io，iLmin=0,iLmax=∆iLIG=IDmin=Iomin=Boost电路电流断续ΔiL+=Vi*Ton/L=ViDT/LΔiL-=(Vo-Vi)*Tof’/LΔiL-=ΔiL+，Tof’=Vi*Ton/(Vo-Vi)Boost电路标幺输出特性1/M—DIo=0时，M=∞输出不许开路Boost电路参数设计设则开关管定额：IQM>2IQPU(BR)ceo>1.5Uo二极管：ID=Ii(1-D),IDrms=UBR>2UoBoost电路参数设计第13次作业：1推导一下两电路电压放大倍数2升压变换器输人电压为27V士10%，输出电压为45V，输出功率为75OW，假定效率为95%，若电感和开关等附加等效电阻0.05Ω，1）求最大占空比；2）如输出改为60V，是否可能？为什么？3.3直流/直流升降压变换器极性反转变换器

Buck-Boost

Cuk。正输出变换器

SepicZetaBuck-Boost变换器的推导(1)Uo<UiUo>UiBuck-Boost变换器的推导(2)Buck-Boost变换器的推导(3)输入输出反极性！升降压斩波电路电路结构：器件少输入具有Buck特点输出具有Boost特点输入输出电流脉动大输出电压的极性与电源电压极性相反DERLa)CQi1i2uLuoILBuck-Boost变换器工作原理：电流连续时的2种状态

DERLa)CQi1i2uLuoILDERLa)CQi1i2uLuoIL电流断续时的3种状态Q导通Q关断输入输出关系D<0.5，Uo<UiD>0.5，Uo>UiBuck-Boost变换器Ton:D断Ui=VL=L∆i+/Ton∆i+=UiTon/LTof:D通,负载电压反极性Uo=L∆i-/Tof

∆i-=UoTof/L稳态∆i+=∆i-Uo=UiD/(1-D)D<0.5降压D>0.5升压Buck-Boost变换器输入电流：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：元器件选择和设计二极管有效值电流：电压应力：平均电流：电感量：电感电感电流脉动：电容量：滤波电容输出电压纹波：电容放电电容充电Cuk斩波电路Cuk斩波电路输出电压的极性与电源电压极性相反增加输入储能电感L1和储能电容C1假设C1很大VC1在1开关周期内基本不变Cuk变换器的推导(1)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Buck/Boost变换器的推导(2)Buck/Boost变换器的推导(3)输入输出反极性！共用Q、D、CfCuk斩波电路等效电路V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分别流过电流V断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分别流过电流CukL1电流连续V通,C1迫使D截止,L1储能,C1放电给C2充电并使L2储能,iT=iL1+iL2Ui=VL1=L1∆i1+/Ton∆i1+=UiTon/L1Uc1-Uo=VL2=L2∆i2+/Ton∆i2+=(Uc1-Uo)Ton/L2V断,D通,L1释放能量和Ui一起为C1充电,L2经D释放能量维持输出,iD=iL1+iL2Ui-Uc1=VL1=-L1∆i1-/Tof∆i1-=(Uc1-Ui)Tof/L1-Uo=VL2=-L2∆i2-/Tof∆i2-=UoTof/L2CukL1电流连续稳态:∆i1+=∆i1-得Uc1=Ui/(1-D)∆i2+=∆i2-得Uo=DUc1

Uo=DUi/(1-D),M=D/(1-D)Uc1=Ui+Uo

L1L2零磁链增量iT=iL1+iL2

或

iD=iL1+iL2Q导通Q关断输入输出关系Uo既可高于Ui，又可低于Ui。CukL1电流连续Ii=IoD/(1-D)ITmax=IDmax=IL1max+IL2max=Iimax+∆i1/2+Iomax+∆i2/2=IomaxD/(1-D)+∆i1/2+Iomax+∆i2/2=Iomax/(1-D)+(∆i1+∆i2)/2=Iomax/(1-D)+UiTon(1/L1+1/L2)/2=Iomax/(1-D)+UiTon/(2Le)Le=L1||L2VTmax=VDmax=Uc1=Ui+Uo=Ui/

(1-D)=Uo/DCuk

脉动∆i1=UiTon/L1∆i2=UoTof/L2V断时C1充电平均电流Ii∆Vc1=IiTof/C1=IOTon/C1=IoD/(fC1)ic2=

i2–Io

C2充放电平均电流Ic2=

∆i2/4电压应力：功率晶体管电流平均值：电流最大值：元器件选择和设计二极管有效值电流：电压应力：平均电流：电感电感L1的电流脉动：电感L2的电流脉动：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。Cuk斩波电路3状态Cuk斩波电路工作波形电流断续模式所谓电流断续模式，是指二极管电流断续！Cuk电流断续IG同Buck电路情况,IG=UiTD(1-D)/2/LeIG=4IGmaxD(1-D)IGmax=UiT/8/LeM=4IGmaxD2/Io**耦合电感的Cuk变换器电感脉动电感耦合Cuk耦合程度k=V通:

电感耦合CukV断:电感耦合Cuk特性不论通断,iL1和iL2的变化率都互成比例V通:iL1和iL2的上升率与Ui成正比,与其等效电感成反比V断:iL1和iL2的下降率与Uo成正比,与其等效电感成反比当M->L2时,Le1->∞,diL1/dt->0当M->L1时,Le2->∞,diL2/dt->0Sepic斩波电路和Zeta斩波电路a）Sepic斩波电路b）Zeta斩波电路Sepic:Single-endedprimaryinductanceconverterR.P.Massey,andE.C.Snyder,“High-voltagesingle-endeddc-dcconverter,”inProc.IEEEPESC,1977,pp.156-159Sepic斩波电路基本工作原理是：当V处于通态时，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同时导电，L1和L2贮能。V处于断态时，E—L1—C1—VD—负载（C2和R）回路及L2—VD—负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电，C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移。输入输出关系由下式给出：

M=Vo/Vi=D/(1-D)

Zeta斩波电路也称双Sepic斩波电路基本工作原理是：在V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能。同时，E和C1共同向负载R供电，并向C2充电。待V关断后，L1经VD向C1冲电，其贮存的能量转移至C1。同时，C2向负载供电，L2的电流则经VD续流。Zeta斩波电路的输入输出关系为：M=D/(1-D)

两种电路相比，具有相同的输入输出关系。Sepic电路中，电源电流连续，有利于输入滤波，反之，Zeta电路的输入电流是断续的。另外，与前一小节所述的两种电路相比，这里的两种电路输出电压为正极性的，且输入输出关系相同。6种基本变换器的比较BuckBoostBuck-BoostCukZetaSepicConverterVoltageConversionRatioOutputVoltagePolarityInputCurrentRippleOutputCurrentRipple++++__LargeSmallConfigu-rationSimpleSimpleSimpleComplexComplexComplexLargeLargeLargeLargeSmallSmallSmallSmallSmallLargeTopology3.4两象限、四象限直流/直流变换器将基本的降压型变换器和升压型变换器电路组合可以构成半桥型（两象限）和全桥型（四象限）直流／直流变换器。将几个相同结构的基本变换器组合可以构成多相、多重直流／直流变换器。由不同的或相同的基本型变换器组合而成的直流／直流变换器，也被称为复合型直流变换器。复合型变换器较单个基本变换器具有更优良的技术特性，又可扩大单个变换器的输出容量，组合输出更高的电压或更大的电流。3.4.1两象限直流/直流变换器直流负载有电阻负载、电感负载和反电动势负载三类3.4.2四象限直流/直流变换器3.6隔离直流/直流变换器3.6.1隔离型Buck变换器—单端正激变换器3.6.2隔离型Buck-Boost变换器—单端反激变换器3.6.3隔离型Cuk变换器正激变换器的推导工作原理基本数量关系3.6.1正激(Forward)变换器正激变换器的推导工作原理基本数量关系3.6.1正激(Forward)变换器第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(1)正激变换器的推导(2)正激变换器的推导(3)正激变换器的推导工作原理基本数量关系3.6.1正激(Forward)变换器Q导通N1的激磁电感Q关断：磁复位Q关断：磁复位完成变压器磁复位完成正激变换器的推导工作原理基本数量关系3.6.1正激(Forward)变换器输入输出关系最大占空比开关管、二极管的电压应力N1>