DC-DC变换电路的分析以及分类

第5章DC-DC变换技术§5.1概述§5.2DC-DC变换器的基本电路拓扑§5.3带变压器隔离的DC-DC变换器原理§5.4PWM控制器原理返回§5.1概述将一个不受控制的输入直流电压变换成为另一个受控的输出直流电压称之为DC-DC变换。随着科学技术的发展，对电子设备的要求是：①性能更加可靠；②功能不断增加；③使用更加方便；④体积日益减小。这些使DC-DC变换技术变得更加重要。目前，DC-DC变换器在计算机、航空、航天、水下行器、通信及电视等领域得到了广泛的应用，同时，这些应用也促进了DC-DC变换技术的进一步发展。实现DC-DC变换有两种模式，一种是线性调节模式(LinearRegulator)，另一种是开关调节模式（SwitchingRegulator）。1、两种调节模式及比较线性调节器模式如图5-1a所示，在这种模式中晶体管工作在线性工作区，其输出电压为。晶体管模型可以用可调电阻RT等效，其等效电路如图5-1b所示。显然晶体管功率损耗为。开关调节模式如图5-2a所示，其等效电路和输出电压如图5-2b、5-2c所示。假设：晶体管关断时，；晶体管导通时；则该晶体管为理想开关（Idealswitch），在理想开关情况下，晶体管损耗为零。两种模式的电源方块图如图5-3a和图5-3b所示。LRLIsVCEvLRLIsVCEvoVoVab图5-1a线性调节器模式b等效电路LRLIsVCEvLRLIsVoVoVabsVoVon闭合off断开tc图5-2a开关调节模式图5-2b等效电路图5-2c输出电压a线性模式电源框图b开关模式电源(SMPS:Switch-modepowersupply)框图图5-3线性电源和开关电源框图开关调节模式与线性调节模式相比具有明显的特点：1、功耗小、效率高。在DC-DC变换中，电力半导体器件工作在开关状态，工作频率很高，目前这个工作频率已达到数百甚至1000KHz，这使电力半导体器件功耗减少、效率大幅度提高。2、体积小、重量轻。由于频率提高，使脉冲变压器、滤波电感、电容的体积、重量大大减小，同时，由于效率提高，散热器体积也减小。还由于DC-DC变换无笨重的工频变压器，所以DC-DC变换体积小、重量轻。3、稳压范围宽。目前DC-DC变换中基本使用脉宽调制（PWM）技术，通过调节脉宽来调节输出电压，对输入电压变化也可调节脉宽来进行补偿，所以稳压范围宽。由于电力半导体器件工作在高频开关状态，它所产生的电流和电压会通过各种耦合途径，产生传导干扰和辐射干扰。目前，许多国家包括我国对电子产品的电磁兼容性和电磁干扰制定了许多强制性标准，任何电子产品如果不符合标准不得进入市场。2DC-DC变换分类：1）按激励方式划分。由于电力半导体器件需要激励信号，按激励方式划分为它激式和自激式两种方式，它激式DC-DC变换中有专业的电路产生激励信号控制电力半导体器件开关；自激式变换中电力半导体器件是作为振荡器的一部分（作为振荡器的振荡管）。2）按调制方式划分。目前在变換中常使用脉宽调制和频率调制两种方式，脉宽调制PWM（pulsewidthmodulation）是电力半导体器件工作频率保持不变，通过调整脉冲宽度达到调整输出电压。频率调制PFM（pulsefrequentmodulation）是保持开通时间不变，通过调节电力半导体器件开关工作频率达到调整输出电压。频率调制在DC-DC变换器设计中由于易产生谐波干扰、且滤波器设计困难。脉宽调制与频率调制相比具有明显的优点，目前在DC-DC变换中占据主导地位。还有混合式，即在某种条件下使用脉宽调制（PWM），在另一条件下使用频率调制（PFM）。3）按储能电感与负载连接方式划分。可分为串联型和并联型两种。储能电感串联在输入输出之间称之为串联型；储能电感并联在输出与输入之间称之为并联型。4）按电力半导体器件在开关过程中是否承受电压、电流应力划分。可分为硬开关和软开关。所谓软开关是指电力半导体器件在开关过程中承受零电压（ZVS）或零电流（ZIS）。5）按输入输出电压大小划分。可分为降压型和升压型。6）按输入与输出之间是否有电气隔离划分。可分为隔离型和不隔离型。隔离型DC-DC变换器按电力半导体器件的个数可分为：单管DC-DC变换器[单端正激（Forward）、单端反激(Flyback)]；双管DC-DC变换器[双管正激(Doubletransistorforwardconverter)、双管反激（Doubletransistorflybackconverter）、推挽电路（Push-pullconverter）和半桥电路（Half-bridgeconverter）等]；四管DC-DC变换器即全桥DC-DC变换器（Full-bradgeconverter）。不隔离型主要有降压式（Buck）变换器、升压式（Boost）变换器、升降压式（Buck-Boost）变换器、Cuk变换器、Zeta变换器、Sepic变换器等。3、DC-DC变换器的要求及主要技术指标1）输入参数：输入电压及输入电压变化范围；输入电流及输入电流变化范围；2）输出参数：输出电压及输出电压变化范围；输出电流及输出电流变化范围；输出电压稳压精度。输出电压稳压精度，包括两个内容:负载调整率，即负载效应。指当负载在0-100%额定电流范围内变化时，输出电压的变化量与输出电压额定值的比值。源效应是指当输入电压在规定范围内变化时，输出电压的变化量与输出电压额定值的比值。效率输出电压纹波有效值和峰-峰值比功率（功率/重量）,是表征小型化的重要指标。返回§5.2DC-DC变换器的基本电路1、Buck电路Buck电路又称为串联开关稳压电路，或降压斩波电路。Buck变换器原理图如图5-5a所示。它有两种基本工作模式，即电感电流连续模式CCM和电感电流断续模式。电感电流连续是指输出滤波电感电流总是大于零，电感电流断续是指在开关管关断期间有一段时间电感电流为零，这两种状态之间有一个临界状态，即在开关管关断末期电感电流刚好为零。电感电流连续时，Buck变换器存在两种开关状态；电感电流断续时，Buck变换器存在三种开关状态；如图5-5b、c、d所示。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:5-Aug-2000SheetofFile:D:\licircuit\lihong.ddbDrawnBy:QDLCZVducaQDLCZVduccQDLCZVducbQDLCZVducdiCioioioioQ导通Q关断Q关断时电感电流为零Buck电路图LiLiLi图5-5Buck变换器原理图及不同开关状态下的等效电路图将图5-6所示的方波信号加到功率半导体器件的控制极，功率半导体器件在控制信号激励下，周期性的开关。通过电感中的电流iL是否连续取决于开关频率、滤波电感和电容的数值。电感电流iL连续条件下其工作波形如图5-6a所示。电路稳定状态下的工作分析如下：1）电感电流连续模式CCM（Continuouscurrentmode）VGEiLILmaxILminIOVGEiLILmaxILminILminILmaxiQiDiCvOVOttttttttttttILmaxILmaxILmaxiCvOa电感电流连续b电感电流断续000000000000IOΔQΔQVOtontoffTtonTt’off图5-6Buck电路图各点波形开关状态1：Q导通t=0时刻，Q管被激励导通，二极管D中的电流迅速转换到Q管。二极管D被截止，等效电路如图5-5b所示，这时电感上的电压为：若VO在这期间保持不变，则有：显然即导通过程的电流变化：开关状态2：Q关断t=ton时刻，Q关断，储能电感中的电流不能突变，于是电感L两端产生了与原来电压极性相反的自感电动势，该电动势使二极管D正向偏置，二极管D导通，储能电感中储存的能量通过二极管D向负载供电，二极管D的作用是续流，这就是二极管D被称为续流二极管的原因。等效电路如图5-5c所示，这时电感上的电压为：显然即关断过程的电流变化：显然，只有Q管导通期间（ton内）电感L增加的电流等于Q管截止期间（toff时间内）减少的电流，这样电路才能达到平衡，才能保证储能电感L中一直有能量，才能不断地向负载提供能量和功率。考虑到和，可得因此，Buck电路输出电压平均值与占空比δ成正比，δ从0变到1，输出电压从0变到,且输出电压最大值不超过输入电压。由于滤波电容上的电压等于输出电压，电容两端的电压变化量实际上就是输出电压的纹波电压，的波形如图5-6a所示。因为，当时，C充电，输出电压vo升高；当时，C放电，输出电压vo下降，假设负载电流io的脉动量很小而可以忽略，则，即电感的峰峰脉动电流即为电容C充放电电流。电容充电电荷量即电流曲线与横轴所围的面积由式可知，降低纹波电压，除与输入输出电压有关外，增大储能电感L和滤波电容C可以起到显著效果，提高电力半导体器件的工作频率也能收到同样的效果。在已知、Vd、Vo和f的情况下根据上述公式可以确定C和L的值。设负载阻抗，则电感平均电流为：电感电流的最大值：电感电流的最小值：电感电流不能突变，只能近似的线性上升和下降，电感量越大电流的变化越平滑；电感量越小电流的变化越陡峭。当电感量小到一定值时，在t=T时刻，电感L中储藏的能量刚刚释放完毕，这时，此时的电感量被称为临界电感，当储能电感L的电感量小于临界电感时，电感中电流就发生断续现象。LC即为临界电感值，式中RL为负载电阻。2）电感电流断续工作方式（Discontinuouscurrentmode）图5-6b给出了电感电流断续时的工作波形，它有三种工作状态：①Q导通，电感电流iL从零增长到；②Q关断，二极管D续流，iL从降到零；③Q和D均截止，在此期间iL保持为零，负载电流由输出滤波电容供电。这三种工作状态对应三种不同的电路结构，如图5-2b、c、d所示。Q导通期间，电感电流从零开始增长，其增长量为Q截止后，电感电流从最大值线性下降，在时刻下降到零，其减小量为：电感电流增长量和电感电流减小量在稳态时应相等：电感电流连续时，，电感电流断续时，。变换器输出电流等于电感电流平均值：上式表明，电感电流断续时，不仅与占空比有关，而且与负载电流有关。Buck电路MATLAB仿真Continuouspowerguiv+-VoltageMeasurement1v+-VoltageMeasurementSeriesRLCBranchScopeRPulseGeneratornode10gmdsMosfetDiodeDCVoltageSourcei+-CurrentMeasurement3i+-CurrentMeasurement2i+-CurrentMeasurement1i+-CurrentMeasurementCBUCK变换器设计步骤选择续流二极管D。续流二极管选用快恢复二极管，其额定工作电流和反向耐压必须满足电路要求，并留一定的余量。选择开关管工作频率。最好工作频率大于20KHZ，以避开音频噪声。工作频率提高可以减小L、C，但开关损耗增大，因此效率减小。开关管可选方案：MOSFET、IGBT、GTR。占空比选择。为保证当输入电压发生波动时，输出电压能够稳定，占空比一般选0.7左右。确定临界电感。，电感选取一般为临界电感的10倍。确定电容。电容耐压必须超过额定电压；电容必须能够传送所需的电流有效值；电流有效值计算：电流波形为三角形，三角形高为，底宽为，因此电容电流有效值为：根据纹波要求，确定电容容量。确定连接导线。确定导线必须计算电流有效值（RMS）,电感电流有效值由下式给出：由电流有效值确定导线截面积，由工作频率确定穿透深度（当导线为圆铜导线时，穿透深度为：），然后确定线径和导线根数。2、Boost电路Boost电路如图5-7a所示，等效电路如图5-7b所示，工作波形图如图5-8所示