DC-DC电路设计介绍

第3章DC/DC变换电路3.2基本的直流斩波电路3.3复合斩波电路3.4变压器隔离的直流—直流变换器3.1直流PWM控制技术基础返回第3章DC/DC变换电路直流变换—将直流电能(DC)转换成另一固定电压或电压可调的直流电能。基本的直流变换电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、库克变换电路重点：电路结构、工作原理及主要数量关系第3章DC/DC变换电路直流变换—将直流电能(DC)转换成另一固定电压或电压可调的直流电能。直流变换电路—完成直流变换的电路。直流变换器—实现直流变换的装置。3.1直流PWM控制技术基础3.1.1直流变换的基本原理及PWM概念直流变换问题的提出直流调速：需要可变的直流电压直流供电电压一定，而负载需要不同电压直流升压：太阳能电池输出电压较低，需要变换到较高电压再变换为直流3.1直流PWM控制技术基础3.1.1直流变换的基本原理及PWM概念（1）开关管T导通时，R两端电压uo=US开关管仅两种工作状态：导通与断开开关管IGBT导通条件：UG0基本的直流变换电路ioUSiSuoRT开关管T导通等效电路ioUSiSuoRT3.1直流PWM控制技术基础3.1.1直流变换的基本原理及PWM概念（2）开关管T断开时，R两端电压uo=0开关管仅两种工作状态：接通与断开开关管IGBT断开控制：UG=0基本的直流变换电路ioUSiSuoRT开关管T断开等效电路ioUSiSuoRT3.1.1直流变换的基本原理及PWM概念R两端平均电压：SsonoUTtU控制一周期中导通时间比例可控制输出平均电压开关管IGBT控制电压R两端电压波形基本的直流变换电路ioUSiSuoRT3.1.1直流变换的基本原理及PWM概念定义上述电路中导通占空比D为:offononsontttTtD通过控制占空比控制输出电压R两端平均电压：SsonoUTtUSDU导通占空比占空比导通比改变占空比D有三种基本方法：3.1.1直流变换的基本原理及PWM概念①脉冲频率调制(PFM)维持ton不变，改变TS。改变TS就改变了输出电压周期或频率。tonTS1uttonTS2ut2211DTtTtDsonson改变占空比D有三种基本方法：3.1.1直流变换的基本原理及PWM概念②脉冲宽度调制(PWM)维持TS不变，改变ton在这种方式中，输出电压波形的周期不变，仅改变脉冲宽度。有利于滤波器的设计ton1TSutton2TSut改变占空比D有三种基本方法：3.1.1直流变换的基本原理及PWM概念③混合脉冲宽度调制脉冲周期TS与宽度ton均改变。广义的脉冲宽度调制技术包含上述三种控制方式ton1TSutton2TS2ut1．面积等效原理——PWM应用的理论基础自动控制理论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。形状不同而冲量相同的各种窄脉冲3.1.2PWM技术基础e(t)td(t)e(t)t50.2e(t)t0.210e(t)t0.120冲量=窄脉冲面积实验电路RLe(t)i(t)冲量相同的各种窄脉冲的响应波形i(t)=?冲量=1e(t)t50.2e(t)td(t)e(t)t0.210e(t)t0.120(a)(b)(c)(d)(d)(c)(b)(a)1．面积等效原理比较RL电路对冲量相同而形状不同窄脉冲的响应波形可知，输出波形大致相同进一步说,响应波形的低频成份基本相同。上述原理可以称为面积等效原理。根据该原理，将平均值为up的一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲加到包含惯性环节的负载上，将与施加幅值为up的恒定直流电压所得结果基本相同，这样一来就可用一列脉冲波形代替直流波形。除了直流波形可用PWM波形来代替外，根据面积等效原理可以进一步推出，可以在一段时间内按一定规则生成PWM波形来代替所需的任何波形1．面积等效原理如用正弦脉冲宽度调制波形来代替正弦波SPWM2．直流PWM波形的生成方法生成PWM波形有多种方法，常见有计算法、调制法等。计算法是在每个时间段，利用计算机技术直接计算出当前所需要的脉冲宽度，进而据此对电力电子器件进行开关控制而获得PWM波形。调制法是利用高频载波信号与期望信号相比较来确定各脉冲宽度信息进而生成PWM波形。调制法生成PWM波形典型框图：返回2．直流PWM波形的生成方法u*R:调制信号uC:载波信号载波信号频率远大于调制信号频率3.2基本的直流变换电路3.2.1降压斩波电路3.2.2升压斩波电路3.2.3升降压斩波电路3.2.4库克变换电路返回3.2基本的直流变换电路基本的直流变换电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、库克变换电路介绍内容：1、电路结构2、工作原理3、主要波形3.2基本的直流斩波电路3.2.1降压变换电路降压变换电路输出电压的平均值低于输入直流电压，又称为Buck型变换器。?D、L、C作用降压变换电路IGBT实现USiSiLuoioRLCTDUSiSiLuoioRLCSD降压变换电路结构3.2.1降压变换电路1降压变换电路工作原理（1）T导通情形电感电压uL=US–uo，在该电压的作用下，电感电流iL线性增长，电感储能增加电源能量向电感、负载传递USiSiLuoioRLCTDT导通等效电路USiSiLuoioRLCTD3.2.1降压变换电路1降压变换电路工作原理（2）T断开情形-电流连续电感电压uL=–uo，在该电压的作用下，电感电流iL线性下降，电感储能减少电感储能向电容、负载转移USiSiLuoioRLCTDT断开等效电路（iL0)DUSiSiLuoioRLCT3.2.1降压变换电路1降压变换电路工作原理（2）T断开情形-电流断续电感电压uL=0，电容向负载供电电容储能向负载转移T一周期中导通时间愈长，向电感转移的能量愈多，向负载转移的能量也愈多，即输出电压愈高控制开关管导通占空比可控制输出电压USiSiLuoioRLCTDT断开等效电路（iL=0)iLDUSiSuoioRLCT3.2.1降压变换电路1降压变换电路工作原理输出电压在0~电源电压之间可调—降压变换电路特殊情形：T常断开特殊情形：T常导通USiSiLuoioRLCTD稳态：电感电压uL=0负载电压u0=0稳态：电感电压uL=0负载电压u0=US2主要波形分析3.2.1降压变换电路理论基础——电路理论基本方法——分段线性分析（重点是根据开关情况确定等效电路）假设条件：1、器件是理想的（不考虑开关时间、导通压降等）2、输出滤波电容较大，输出电压基本平直2主要波形—电感电流连续情形电感电流连续情形：iL0降压电路T导通等效电路uG0T断开等效电路uG=02主要波形—电感电流连续情形数学模型:RuidtduCiuUdtdiLuCLCCCSLL初值条件?假设uC=Uo=常数iL线性增加uGtuLCsuUtiLiMimtiCtT导通等效电路+uo-+uL-T导通波形2主要波形—电感电流连续情形数学模型:RuidtduCiudtdiLuCLCCCLL初值条件?假设uC=Uo=常数iL线性减少toffCuiLuGttonuLCSuUtiCtimtiMT断开等效电路+uo-+uL-主要波形3主要数量关系—电感电流连续情形(1)平均输出电压Uo(2)平均输出电流Io表现系统主要性能指标的量：(3)电感电流纹波DIL(4)负载电压纹波DUO主要器件承受的电压、电流等量可根据波形确定3主要数量关系—电感电流连续情形uLuGCSuUiLiCimttttCutontoffiM(1)平均输出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。0*)(*)(offConCStutuU或：0*)(*)(offoonoStUtUUSSSonoDUUTtUuLuG3主要数量关系—电感电流连续情形CSuUiLiCimttttCutontoffiM(2)输出平均电流IoRUDRUISOoIO(3)电感电流纹波DILOSCSLLUUuUdtdiLuonOStLUUmMLiiIDonStULD1uLuG3主要数量关系—电感电流连续情形CSuUiLiCimttttCutontoffiMIO(4)电感电流极值iM、im?稳态情况下，电容上一周期中的平均电流为零。电流连续时:22MmMOiiiI电感平均电流=负载平均电流22LOmLOMIIiIIiDD3主要数量关系—电感电流连续情形(5)电容电压纹波DuCuGiLimtttontoffiMIOiCtDuCtuCUORUiRuidtduCiOLCLCCD2/2/)(1offonontttOLCmCMCdtIiCUUu2*2*21*1LsCITCuDD3主要数量关系—电感电流连续情形（5）电容电压纹波DuC2*2*21*1LsCITCuDDonSstULDTC2)1(*2*21*1onSStTULCD8)1(SonoffonSDTtttT注意：28)1(SSTULCDDonSLtULDID1结论：1：增加LC,电压纹波减少2：开关频率高，电压纹波小3：D=0.5，电压纹波达到峰值3主要数量关系—电感电流连续情形5、电容电压纹波DuC28)1(SSCTULCDDuD记：开关频率电路TTfS1LCfC21截止频率滤波电路222)1(DffUDDuCSC纹波系数：OCCCUuUuDD222)1(ffDC电压纹波系数很小时,ffC4主要波形—电感电流断续情形电感电流断续情形：在一段时间内iL=0降压电路T导通等效电路uG0T断开、D续流等效电路uG=0uG=0T断开、D断开等效电路4主要波形—电感电流断续情形数学模型:RuidtduCiuUdtdiLuCLCCCSLL初值条件假设uC=Uo=常数iL线性增加uGtuLCSuUtiLiMtiCtT导通等效电路+uo-+uL-4主要波形—电感电流断续情形数学模型:RuidtduCiudtdiLuCLCCCLL初值条件假设uC=Uo=常数iL线性减少ttttuLuGCSuUiLiCtontoffiMCutconT断开、D续流等效电路+uo-+uL-4主要波形—电感电流断续情形数学模型:RudtduCidtdiLuCCCLL0初值条件uC=Uo=常数iC维持不变CSuUuLuGiLiCttttCutontofftconiMT断开、D断开等效电路+uo-5主要数量关系—电感电流断续情形（1）平均输出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。0*)(*)(conConCStutuU或：0*)(*)(conoonoStUtUUSconononoUtttUuLuGCSuUiLiCttttCutontoffiMtcon注意：tcon与电路参数、ton有关5主要数量关系—电感电流断续情形（1）平均输出电压UoSconononoUtttUuLuGCSuUiLiCttttCutontoffiMtconSoUDDDU211SonTtD1SconTtD2记电压变换比：211DDDUUSo5主要数量关系—电感电流断续情形(2)输出平均电流IoRUIOo(3)电感电流纹波DILOSCSLLUUuUdtdiLuonOStLUUMLiIDuLuGCSuUiLiCttttCutontoffiMtconIO电流断续时:2MoiI5主要数量关系—电感电流断续情形uLuGCSuUiLuCttttCutontoffiMtcon(4)电容电压纹波DuCOLCLCCIiRuidtduCiD21)(1ttOLCmCMCdtIiCUUuMoMsoMCiIiTDDIiCuD)(*)(*21*121IOCuDtt2t1注意：SMoMTDDiIitt)(21125主要数量关系—电感电流断续情形(4)电容电压纹波DuCMo