DC-DC变换器

3-1第2讲DC/DC变换电路Application:(1)Switch-modePowerSupply(2)DCMotorDrive(3)DCSourceConverterClassification:VoltageSourcetoVoltageSourceVoltageSourcetoCurrentSourceCurrentSourcetoVoltageSourceCurrentSourcetoCurrentSource3-2第2讲DC/DC变换电路磁耦合电路电耦合电路按电路耦合电流源电路电压源电路输出滤波按输入间接式直接式按变换级数四象限电路双象限电路单象限电路按工作范围升降压电路升压电路降压电路按输入输出电压变换电路/)boost()buck(DC/DC3-3第2讲DC/DC变换电路控制方式:•(1)PWM----PulseWidthModulationT不变，变ton—脉冲宽度调制（PWM）•(2)调频调制(AdjustFrequencyModulation)ton不变，变T—频率调制。•(3)复合调制(ComplexModulation)ton和T都可调，改变占空比—复合型基本的DC-DCConverter：BuckChopperBoostChopperBuck-BoostChopperCukChopper3-42.1.1降压斩波电路电路结构全控型器件若为晶闸管，须有辅助关断电路。续流二极管负载出现的反电动势典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。降压斩波电路（BuckChopper)3-52.1.1降压斩波电路工作原理c)电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)电路图图3-1降压斩波电路得原理图及波形t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。电压源电流源的变换3-62.1.1降压斩波电路数量关系电流连续负载电压平均值：EETtEtttUonoffonono（2-1）REUIMoo（2-2）ton——V通的时间toff——V断的时间a--导通占空比电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。负载电流平均值：3-72.1.1降压斩波电路TIETRIoM2o同样可以从能量传递关系出发进行的推导由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变电源只在V处于通态时提供能量，为在整个周期T中，负载消耗的能量为onotEI输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。TIETRItEIoMoono2REEIMoooon1IITtIooo1IUEIEI3-82.1.2升压斩波电路升压斩波电路（BoostChopper）保持输出电压储存电能电路结构1)升压斩波电路的基本原理3-92.1.2升压斩波电路工作原理假设L和C值很大。V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。电流源电压源的变换0iGE0ioI1图3-2升压斩波电路及工组波形a)电路图b)波形3-102.1.2升压斩波电路数量关系设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：off1otIEUontEI1EtTEtttUoffoffoffono（2-21）（2-20）offoontIEUtEI11)(化简得：T/toff1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。——升压比；升压比的倒数记作b，即。b和的关系：因此，式（3-21）可表示为off/tT1bEEUb111oTtoffb（2-23）（2-22）3-112.1.2升压斩波电路电压升高的原因：电感L储能使电压泵升的作用电容C可将输出电压保持住如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即：。（2-24）与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。oo1IUEI输出电流的平均值Io为：RERUIb1oo(2-25)电源电流的平均值Io为：REIEUI2oo11b(2-26)3-122.1.2升压斩波电路2)升压斩波电路典型应用一是用于直流电动机传动二是用作单相功率因数校正（PFC）电路三是用于其他交直流电源中ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo图3-3用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形a）电路图b）电流连续时c）电流断续时用于直流电动机传动再生制动时把电能回馈给直流电源。电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。3-132.1.2升压斩波电路数量关系当V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式：M11ddERitiL(2-27)当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：EERitiLM22dd（2-29）当电流连续时，考虑到初始条件，近似L无穷大时电枢电流的平均值Io，即REEREmIobbM（2-36）该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压看作是被降低到了。Eb3-142.1.3PWM控制电路•控制电路是根据采用的控制策略对控制信号(含给定信号和反馈信号)进行生成、处理、以形成功率器件控制极信号，实现对电能的变换和控制，因而控制电路是变换电路的重要部分。•目前应用最广的控制方式是PWM控制方式，为了维持输出电压稳定，最常采用的是电压负反馈。3-15单象限PWM控制电路PWM生成电路一般包含斜波电压发生器（锯齿波或三角波）和电压比较器两部分，斜波电压uc重复频率受控于振荡器，它与来自电压调节器输出信号ue一起加到电压比较器的输入端，比较器的输出即为PWM信号。3-16单象限PWM控制电路•各种集成PWM控制芯片，只需外接少量元器件就可工作。最先出现的是Motorola公司生产的MC3420和SiliconGeneral公司生产的SG3524等芯片，尔后又推出性能更好，功能更强的控制器，如TexasInstruments公司的TL494。此外还生产了单端变换电路专用的PWM控制芯片，它所需的外接元器件更少，使用也更方便，如Motorola公司的MC34060，Unitrode公司的UCl840系列可编程序PWM芯片，SiliconGeneral公司的SGl525/1527等。3-17单象限PWM控制电路由SG1525控制的直流不可逆调速系统，主电路采用降压型单象限电路。3-18SG1525的内部结构3-19SG1525的工作波形SG1525工作过程波形分析3-202.1.4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3-212.1.4升降压斩波电路和Cuk斩波电路基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL图3-4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。电压源电压源的变换3-222.1.4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Ttu0L0d（2-39）所以输出电压为：EEtTtEttU1ononoffono（2-41）V处于通态uL=EV处于断态uL=-uooffoontUtE（2-40）3-232.1.4升降压斩波电路和Cuk斩波电路图3-4b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：offon21ttII（2-42）由上式得：11onoff21IIttI（2-43）结论当0a1/2时为降压，当1/2a1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。2o1IUEI（2-44）otb)oti1i2tontoffILIL3-242.1.4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。电流源电流源的变换图3-5Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图b）等效电路3-252.1.4升降压斩波电路和Cuk斩波电路同理：数量关系Tti0C0d（2-45）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I1toff。由此可得：off1on2tItI（2-46）1onononoff12ttTttII（2-46）EEtTtEttU1ononoffono（2-48）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。3-26b)Zeta斩波电路2.1.5Sepic斩波电路和Zeta斩波电路a)Sepic斩波电路图3-6Sepic斩波电路和Zeta斩波电路电路结构Speic电路原理V通态，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同时导电，L1和L2贮能。V断态，E—L1—C1—VD—负载回路及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：EEtTtEttU1ononoffono（2-49）3-272.1.5Sepic斩波电路和Zeta斩波电路Zeta斩波电路原理V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能。V关断后，L1－VD－C1构成振荡回路，L1的能量转移至C1，能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。输入输出关系：图3-6Sepic斩波电路和Zeta斩波电路EU1o（2-50）相同的输入输出关系。Sepic电路的电源电流和负载电流均连续，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。两种电路输出电压为正极性的。b)Zeta斩波电路3-282.2复合斩波电路和多相多重斩波电路2.2.1电流双象限斩波电路2.2.2四象限桥式斩波电路2.2.3多相多重斩波电路3-292.2.1电流可逆斩波电路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。电流双象限斩波电路：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。电流双象限斩波电路3-302.2.1电流双象限斩波电路电路结构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，当有源负载向电源反馈能量时,V2和VD2工作，输出平均电流I00。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。3-312.2.1电流双象限斩波电路ttuoioiV1iD1iV2iD2ttuoioiV1iD1iV2iD2I0＞0的波形I00的波形I0＞0的工作情况：