第5章--DC-DC变换器

第五章DC-DC变换器斩波控制5.0概述1、DC-DC变换器将一种直流电能变换为另一种或多种直流电能。直流斩波电路广泛应用于各种场合：航天航空、通信系统、工业装置、家用电器、测试仪器等。直流开关电源的发展方向：高频化、小型化、模块化和智能化。2、DC-DC变换器的类型：DC/DCBuck隔离型BoostBuck-BoostCukZetaSepic非隔离型反激式（Flyback）正激式（Forward）Bridge桥式变换器3、基本原则：(1)、电感的伏秒平衡LLiLuRtiLLuT)()0(TiiLL0)()]0()([0TLLLdttuiTiL伏·秒即电感电压每周期平均值为零，也即正负半周的面积相等，称为电感的伏秒平衡。(2)、电容的安秒平衡CCiCuRtCiT)()0(TuuCC同理0)()]0()([0TCCCdttiuTuC安·秒Cu即电容电流每周期平均值为零，也即正负半周的面积相等，称为电感的安秒平衡。5.1Buck变换器1、电路结构inUoUCLDQgioILiQiDiLuCiQ是开关管，D为续流二极管，L、C为滤波器2、电路工作模态Q导通inUoUCLQgioILiQiLuCiinUoUCLDoILiDiLuCiinUoUCLDoICiQ关断、电感电流连续Q关断、电感电流断续3、CCMA、波形分析inUoUCLDQgioILiQiDiLuCi假设：开关理想，输出电压平均值Uo恒定。tttTigtontoffiLuLttuoiCIoUoILmaxILminUin-Uo-UoΔUoΔQB、参数计算inUoUCLDQgioILiQiDiLuCi根据伏秒平衡原则：offoonointUtUU)(DTtUUoninoD占空比①输出电压平均值表达式tttTigtontoffiLuLIoILmaxILminUin-Uo-Uo根据功率平衡，如不考虑管子损耗：oooinininIUPIUPDUUIIoinino1Buck变换器相当于一个直流变压器inUoUCLDQgioILiQiDiLuCi②电感电流iL表达式（稳态时）tLUUItiinLL0min)()1(0minmaxoninLLtLUUIItLUItiLL0max)()2(0maxminoffLLtLUII导通时关断时tttTigtontoffiLuLIoILmaxILminUin-Uo-Uo可求得：TDLUDTLUUIIIinLLL)1(00minmax电感电流的波动量与开关频率、占空比、输出电压、电感大小相关inUoUCLDQgioILiQiDiLuCi③输出电压的纹波分析20)1(82221TDLUTiQLC输出电压的波动量与开关频率、占空比、输出电压平均值、电感和电容大小相关ttTigtontoffiLttuoiCIoUoILmaxILminΔUoΔQTDLUIILC)1(0根据安秒平衡原则：2)1(8TDLCUCQUoCo220))(1(2ffDUUCoLCfC214、DCMA、临界连续ILmin=0inUoUCLDQgioILiQiDiLuCitttTigtontoffiLuLttuoiCIoUoILmaxUin-Uo-UoΔUoΔQ临界电流平均值DTLUURUino20电流连续条件IoIoB3、DCMB、波形及参数计算由伏秒平衡tttTigiLuLtiCIoILmaxUin-Uo-UoΔQtonofftinUoUCLDQgioILiQiDiLuCioffonintLUtLUU00DDDtttUUoffononin0TtDTtDoffon,①输出电压平均值电感电流连续时，ΔD=1-D，表达式统一tttTigiLuLtiCIoILmaxUin-Uo-UoΔQtonofftinUoUCLDQgioILiQiDiLuCiDTLUUIioinLLmaxTtDTtDoffon,②电感电流max*)(21)(*211LoffonLoIDDttiTIDDDUUinoinoinoUUULTDI)1(22即平均值5、Buck变换器输入输出关系inUoUCLDQgioILiQiDiLuCiDTLUUIinoB20临界电流平均值ttiLuLIoIoBmaxUin-Uo-Uo①若Uin不变)1(2DDLTUIinoBLTUIinoB8maxD=0.5时，电流有最大值)1(4maxDDIIoBoB则)/(max4122oBoinoIIDDUU电流断续时DDIDDLTUDDDLTUIDDIoBinooomaxmax42)(2)(21tttTigiLuLIoIomaxUin-Uo-UotonofftDTLUIoomax)1(4maxDDIIoBoBDIIDoBomax4则DDDUUino电流断续时LTUIinoB8max)/(max4122oBoinoIIDDUU5、Buck变换器输入输出关系inUoUCLDQgioILiQiDiLuCiDTLUUIinoB20临界电流平均值ttiLuLIoIoBmaxUin-Uo-Uo②若Uo不变)1(2DLTUIooBLTUIooB2maxD=0时，电流有最大值)1(maxDIIoBoB则电流断续时)1()())(()(2)(212maxmaxmaxinooinoBoinoinoBoooUUDUUIDDUUDDUUDIDDDLTUIDDItttTigiLuLIoILmaxUin-Uo-Uotonofft)2(2maxLTUIoo)1(maxDIIoBoB则)1(DDDUUinoinooBoinoUUIIUUD1maxinooBoinoUUIIUUD1maxLTUIooB2max5.2Boost变换器1、电路结构Q是开关管，D为续流二极管inUoUCLDQgioILiQiDiLuCi2、CCMinU假设：开关理想，输出电压平均值Uo恒定。oUCLDQgioILiQiDiLuCittiLuLIoILmaxILminUinUin-UoTtonoffoinonintUUtU)(根据伏秒平衡原则DtTUUoffino11TtDon根据功率平衡原则DIIino1相当于直流升压变压器3、临界连续oUCLDQgioILiQiDiLuCiinUttiLuLIoILmaxUinUin-UoTtonDUUino11)1(212121maxDDLTUtLUiIooninLLB2)1(21DDLTUIooB电感电流平均值(Iin=IL)输出电流平均值DIIino1由功率平衡临界连续时的电流与占空比之间的关系)1(21DDLTUIoLB2)1(21DDLTUIooBLTUIoLB8maxD=0.5时最大D=1/3时最大LTULTUIoooB074.0272maxmax)1(4LBLBIDDI2max)1(427DDIIoBoB4、DCMoUCLDQgioILiQiDiLuCittiLuLILILmaxUinUin-UoTtont’offoffoinonintUUtU)(DDDUUino根据伏秒平衡原则TtDon根据功率平衡原则DDDIIinoTtDoffoUCLDQgioILiQiDiLuCiinoLIDDTDLUI)(2ΔDDLTUIoo2电感电流平均值输出电流平均值ttiLuLILILmaxUinUin-UoTtont’offDDDIIinoLTUIooB272maxDDDUUino当输出电压Uo为常数时，由以下式子得到：ΔDDLTUIoo2max1274oBoinoinoIIUUUUDoUCLDQgioILiQiDiLuCiTDLUioLmax电感电流断续时ttiLuLILILmaxUinUin-UoTtont’offLTDUiLoL2)()(2122max电感每周期向外提供的能量若负载不能够吸收这些能量，则导致电容电压越来越高，直至损坏电路。也即是说，对于Boost电路，系统开环时，不能轻载运性，更不允许空载运行（轻载时电感电流可能断续，空载时电感电流一定断续）5、电容电压oUCLDQgioILiQiDiLuCiRCDTUCDTICQΔUooo电感电流连续模式下ttiLiDILILmaxILminTtonID=IoΔQtuCΔUoUoTDRCDTUΔUooRC输出电压纹波与电路的频率、占空比、输出端时间常数相关。6、寄生参数对输出电压的影响DUUino11实际电路中，电容、电感、开关管、二极管等均有寄生参数，在占空比接近于1时，输出电压的影响会明显下降，D=1时Uo=0。5.3Buck-Boost变换器1、电路结构Q是开关管，D为续流二极管inUoUCLDQgioILiQiDiLuCiR2、CCM假设：开关理想，输出电压平均值Uo恒定。ttiLuLIL=Io+IinILmaxILminUin-UoTtonoffoonintUtU根据伏秒平衡原则DDttUUoffonino1TtDon根据功率平衡原则相当于直流升压变压器，输出电压可高也可低于输入电压。inUoUCLDQgioILiQiDiLuCiR3、临界连续（BoundarybetweenCCMandDCM）DDIIino1)1(22121maxDLTUDTLUiIoinLLB2)1(2DLTUIooB电感电流平均值(IL=Io+Iin)输出电流平均值由功率平衡inUoUCLDQgioILiQiDiLuCiRttiLuLIL=Io+IinILmaxUin-UoTtonDDUUino1Io=IL-Iin临界连续时的电流与占空比之间的关系)1(2DLTUIoLB2)1(2DLTUIooB通常Uo为常数，D=0时两者达到最大LTUIIoLBoB2maxmax2max)1(DIIoBoB)1(maxDIILBLB4、DCMttiLuLILILmaxUin-UoTtont’offoffoonintUtUDDUUino根据伏秒平衡原则TtDon根据功率平衡原则DDIIinoTtDoffinUoUCLDQgioILiQiDiLuCiRttiLuLILILmaxUin-UoTtont’offinUoUCLDQgioILiQiDiLuCiRΔDTDLUIIIoinLo2电感电流平均值输出电流平均值DDIIino)(2)(21)(21maxDDDTLUDDDTLUDDiIoinLL当输出电压Uo为常数时，由以下式子得到：2)1(2DLTUIooB2max)1(DIIoBoBDDUUinoLTUIooB2maxmaxoBoinoIIUUDΔDTDLUIoo25、电容电压RCDTUCDTICQΔUooo电感电流连续模式下ttiLiDILILmaxILminTtonID=IoΔQtuCΔUoUoTDRCDTUΔUooRC输出电压纹波与电路的频率、占空比、输出端时间常数相关。inUoUCLDQgioILiQiDiLuCiR6、寄生参数对输出电压的影响DDUUino1实际电路中，电容、电感、开关管、二极管等均有寄生参数，在占空比接近于1时，输出电压的影响会明显下降，D=1时Uo=0。5.4Cuk变换器1、电路结构Q是开关管，D为续流二极管oU2C2LoI2Li2Lu2CiRinU1C1LDQgi1LiQiDi1Lu1Ci1Cu输入输出端均有电感，可显著减小输入输出电流的脉动2、工作模态（按二极管电流iD是否连续分类）oU2C2LoI2Li2Lu2CiRinU1C1LDQgi1LiQiDi1Lu1Ci1C