第5章直直变换器

第5章：直直变换器5.1直流变换电路概述一.直流变换器概念（1）直直变换的定义:将输入固定直流电压的电能变为负载所需要的另一固定电压或可调电压的直流电能（称为DC/DC变换），完成直流/直流变换的装置为直直变换器（DC/DC变换器）；（2）直直变换器的工作原理:通过控制电路周期性地对DC/DC变换主电路的电力电子器件快速通断控制，将输入的直流电压斩成一系列幅值相等的脉冲电压，改变脉冲列的脉冲宽度或频率，并经过LC低通滤波器处理以后实现对输出电压平均值的调节。（3）直直变换器的一般结构：直流电源DC-DC变换器负载控制电路dUoUUg二.直直变换电路的分类1.降压电路升压电路升降压电路或douudouudouudouu单象限电路双象限电路四象限电路2.均为一个方向和其中之一改变方向均改变方向00,IU0U0I00,IU(4)直直变换系统的结构非隔离型隔离型3.三.理想直直变换器应具备的性能1.输入输出端的电压均为平滑直流,无交流谐波分量2.输出阻抗为零3.快速动态响应,抑制干扰能力强4.高效率小型化四.直直变换器的控制方式（脉冲宽度调制控制）根据直直变换器输出电压是导通时间和周期的函数1.定频调宽控制2.定宽调频控制（PFM）3.调频调宽混合控制PWM控制信号的形成过程信号波形的比较PWM控制信号的形成过程信号波形的比较PWM控制信号的形成过程五.直直变换器的应用1.Driving:电车,地铁,电动汽车,火车2.直流电机调速系统（1、2传统直流传动应用，逐渐萎缩）3.照明,氙灯ballast4.开关电源与电源适配器（3、4电力电子领域的一大热点）掌握非隔离型直直变换器和隔离型直直变换器的分析和计算，非隔离型直直变换器重点掌握降压型和升压型直直变换器两种，隔离型直直变换器正激和反激直直变换器两种。最后掌握不同类型直流斩波器的原理与特性。本章的重点多种直直变换器的输入输出关系、电路解析方法、工作特点。六.本章掌握内容介绍5.2非隔离型直直变换器1、降压型变换器（BUCKConverter)2、升压型变换器（BOOSTConverter)3、升/降压型变换器（Buck-BoostConverter)4、CUK型变换器（CUKConverter)BUCK降压直直变换器是一种基本的非隔离DC/DC变换器，其输出直流电压低于输入直流电压，通称为BUCK变换器，电路结构如下图：图中：S为功率MOSFET器件，工作在开关状态；若为晶闸管，须有辅助关断电路。D为肖特基二极管，为电感电流提供续流回路；电感L和电容C组成低通滤波器。为便于电路分析，做出如下假设：（1）忽略S和D的导通压降，截止以后的漏电流为零；（2）认为S和D的通断瞬间完成，不考虑开关时间；（3）认为电容C很大，则输出电压Uo保持为恒值；SL12CD12-++Ud-UaUgUoRL5.2.1降压型直直变换器(BUCKConverter)一、（电感电流连续模式）工作原理与推导考虑BUCK变换器工作在稳态且电感电流连续状态，一个周期中根据功率器件S的通断状况变换器可以工作两种模式：1.S导通模式（Ton时段）Lu等效电路如b图所示，此时Ua等于Ud,D截止，电感电压等于Ud-Uo，电感电流线性上升，电感储能。Li2.S关断模式（Toff时段）Lu等效电路如c图所示，由于电感电流不能突变，则D导通提供电感电流续流通路，Ua=0，电感电压等于-Uo，电感电流线性下降，电感释能。LiL12CUoUd--++Ua+-RLodLUUuLiL12CUoUd--++Ua+-RLoLUuLigUaULuLUUododLUUudaUULionTLUooLUu0aUoffTT占空比：周期：)10(DTTDonoffonTTT（a）（b）（c）LiLuSL12CD12-++Ud-UaUgUoRL+-BUCK变换器电压传输比推导（电感电流连续模式）电压传输比M为输出电压和输入电压的比值，推导过程基于电感L的特性来进行。当变换器稳态工作时，由于电感不是耗能元件，因此遵循的原则是：开关S导通时电感储存的能量与开关S关断时释放的能量必须相等。对外表现的特征：（1）伏秒平衡原则电感两端的电压与时间的乘积等于电感磁链，稳态工作时，为避免电感饱和，一个周期内开关S导通时电感的伏秒积必须等于关断时的伏秒积，那么电感增加的磁链等于减小的磁链。（2）能量平衡原则根据电感储能的表达式，在一个周期开始时电感储能和结束时的储能相等，表明两个时刻的电流值相等，那么开关S导通时电流上升的幅值和关断时电流下降的幅值相等。NddtuL22LiLJgUaULuLUUododLUUudaUULionTLUooLUu0aUoffTTrIfIgUaULuLUUododLUUudaUULionTLUooLUu0aUoffTTrIfI◆利用能量平衡推导开关S导通时电感电流上升幅值：onodrTLUUI)(开关S关断时电感电流下降幅值：offofTLUI已知：frII则：DTTUUMondodOUDU◆利用伏秒平衡推导开关S导通的伏秒值：onodTUU)(开关S关断的伏秒值：offoTU因此：offoonodTUTUU)(则：DTTUUMondodOUDU在电流连续工作模式状态下，降压式变换电路等效于一个直流变压器，其等效变比可以通过控制开关的占空比D在０到１的范围内连续控制。根据电压传输比的表达式，在给定输入电压Ud情况下，调节占空比D可以改变输出电压Uo的大小。可以通过三种方式来实现调节：（1）保持周期T不变，调节导通时间Ton，即定频调宽模式（常用）（2）保持导通时间Ton不变，调节周期T，即定宽调频模式（3）同时调节周期T和导通时间Ton，即调频调宽模式信号波形的比较PWM控制信号的形成过程二、（电感电流断续模式）工作原理与推导LiLuSL12CD12-++Ud-UaUgUoRL+-当电流断续时，该电路在1个开关周期内经历3个工作状态工作状态1（S接通）工作状态2（S断开）工作状态3（电感电流为零）1、电感电流断续时电路的周期工作过程分析工作状态1（t0～t1时段）：开关S于t0时刻接通，并保持通态直到t1时刻，在这一阶段，由于UiU。，故电感L的电流不断增长。二极管D处于断态。工作状态2（t1～t2时段）：开关S于t1时刻断开，二极管D导通，电感通过D续流，电感电流不断减小。工作状态3（t2～t3时段）：t2时刻电感电流减小到零，二极管D关断，电感电流保持零值，并且电感两端的电压也为零，直到t3时刻开关S再次接通，下一个开关周期开始。2、电流临界连续时电路参数分析临界状态时的工作波形电感电流在一个开关周期内的波形正好是一个三角形，其面积为：MS12LAIT电感电流在一个开关周期内的平均值：M12LLII电感电流峰值为：ioddLiLUUtioMSLUUIDTL临界连续仍有：oiUDU整理得到临界连续电感电流平均值：MoS1LDIUTLoS12LDIUTL由于：电容C在开关周期内的平均电流为零，电感电流iL在一个开关周期内的平均值等于负载电流：ooUIR电感电流连续的条件为：oLII≥ooS12UDUTRL≥S12LDRT≥3、电感电流断续时电压传输比推导电感电流断续时的工作波形S断开后电感的续流时间为TS，其中0≤≤(1-D)根据电感利用伏秒平衡原则有：ioSoS()UUDTUT电感电流在一个开关周期内的平均值：M1()2LLIID负载电流等于电感电流的平均值有：ooUIRoM1()2LUIDR电感电流峰值：ioMSLUUIDTL整理以上得：iooiSo()12UUUUDTDLUR2ii2ooS20UULUUDTR整理以上得：求解上式得：oi1412UKUK2S2LKDTR令电压传输比与占空比D和负载R相关，也与电路参数L和TS有关。与占空比D为非线性关系。三.BUCK变换器的应用BUCK变换器广泛用于手机、PDA、MP3、PMP、PDVD等便携式设备。下图是为PMP的供电结构框图。BUCK变换器在通信领域广泛采用的3级分布式供电结构中作为后级负载点电源（POL，pointofload）被使用，紧靠负载为其提供低压大电流电能。已形成完整的市场产品系列。前端变换器中间总线变换器POL1POL2POLn电网输入DC48VDC12/8/5V3.3V2.1V1.5V锂电池BOOST变换器BUCK变换器BUCK变换器DC3.7V显示声音CPU3.3/1.8V28/12V3.3/2.5/1.8/1.2VEmerson产品5.2.2升压型直直变换器（BOOSTConverter)BOOST升压型直直变换器是一种基本的非隔离DC/DC变换器，通称为BOOST变换器，该电路的输出电压永远高于输入电压。电路结构如下图：图中：S为功率MOSFET器件，工作在开关状态；D为肖特基二极管，为电感电流提供续流回路；电感L和电容C组成低通滤波器。为便于电路分析，做出如下假设：（1）忽略S和D的导通压降，截止以后的漏电流为零；（2）认为S和D的通断瞬间完成，不考虑开关时间；（3）认为电容C很大，则输出电压Uo保持为恒值；C-++UoUd-UaUgRLSL12D12考虑BOOST变换器工作在稳态且电感电流连续，一个周期中根据功率器件S的通断状况变换器可以工作两种模式：1.S导通模式（Ton时段）Lu等效电路如b图所示，此时Ua等于0,D截止，电感电压等于Ud，电感电流线性上升，电感储能,电容Ｃ释放能量给负载。Li2.S关断模式（Toff时段）Lu等效电路如c图所示，由于电感电流不能突变，则D导通提供电感电流续流通路，Ua=Ｕo，电感电压等于Ud-Uo，电感电流线性下降，电感和电源一起给负载提供能量。LigUaULuLUddLUu0aULionTT占空比：周期：)10(DTTDonoffonTTT（a）LiLuC-++UoUd-UaUgRL+-SL12D12dLUuLi（b）C++Ud--UoUaRL-+L12oLUUduLi（c）C++Ud--UoUaRL-+L12LUdUooLUUdu0aUoffT一、（电感电流连续模式）工作原理与推导根据电压传输比的表达式，在给定输入电压Ud情况下，调节占空比D可以改变输出电压Uo的大小。可以通过三种方式来实现调节：（1）保持周期T不变，调节导通时间Ton，即定频调宽模式（常用）（2）保持导通时间Ton不变，调节周期T，即定宽调频模式（3）同时调节周期T和导通时间Ton，即调频调宽模式◆利用能量平衡推导开关S导通时电感电流上升幅值：ondrTLUI开关S关断时电感电流下降幅值：offdofTLUUI已知：frII则：DUUMdo11dOUDU11◆利用伏秒平衡推导开关S导通的伏秒值：ondTU开关S关断的伏秒值：offdoTUU)(因此：offdoondTUUTU)(则：DUUMdo11dOUDU11gUaULuLUddLUu0aULionTTLUdUooLUUdu0aUoffTrIfIBoost变换器电压传输比推导（电感电流连续模式）二、（电感电流断续模式）工作原理与推导当电流断续时，该电路在1个开关周期内经历3个工作状态C-++UoUd-UaUgRLSL12D12工作状态1（S接通）工作状态2（S断开）工作状态3（电感电流为零）1、电感电流断续时电路的周期工作过程分析工作状态1（t0～t1时段）：开关S于t0时刻接通，并保持通态直到t1时刻，在这一阶段，电感L两端的电压为Ui，电感电流不断