DC-DC-Converter

电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）第2章直流/直流变换器3直流/直流变换器1.1直流/直流降压变换器（BuckDC/DC变换器）1.2直流/直流升压变换器（BoostDC/DC变换器）1.3直流升压－降压变换器（Boost-Buck变换器或Cuk变换器）小结1.1直流/直流降压变换器（BuckDC/DC变换器）1.1.1电路结构和降压原理1.1.2电感电流连续时工作特性1.1.3电感电流断流时工作特性如何实现降压变换？RLsVViRRLsVsVVViiROOSVCERRLgISVSVCERCERRLgIgIViVViiOOSVRLgITSVRLgITSVSVRLgIgITOViiiOORiVTEGDiigVioiCCibuck电路图+-+-LLilvEOvCooRiViVTEGDiigVioiCCibuck电路图+-+-LLilvEOvCooTEGDiiiigVgViioioiCCiCibuck电路图+-+-LLiLilvlvEOvEOvCooVVVO1.1.1电路结构和降压原理1.理想的电力电子变换器2.降压原理3.控制方式4.输出电压LC滤波全控型开关管续流二极管LC输出滤波负载Buck变换器电路1.理想的电力电子变换器为获得开关型变换器的基本工作特性，简化分析，假定的理想条件是：（1）开关管T和二极管D从导通变为阻断，或从阻断变为导通的过渡过程时间均为零；（2）开关器件的通态电阻为零，电压降为零，断态电阻为无限大，漏电流为零；（3）电路中的电感和电容均为无损耗的理想储能元件；（4）线路阻抗为零。电源输出到变换器的功率等于变换器的输出功率。OOSSIVIV2.降压原理对开关管T加驱动信号VG，开关周期为TS。SSoffonSODVVTTVV2VG0,T管导通SLDSEOiiiV0SonDTTVG=0,T管阻断LDEOii0SonSoffTDTTT)1(输出电压1)-(3)cos()(10nnEOtnaCt2)-(322121)(2120sSSEOoODVDVVtdvCV变压比为M3)-(32/SSSOVDVMVVn次谐波幅值4)-(3)sin(2)2sin(2nDnVnnVaSSn5)-(3)cos()sin(2)(1nSSEOtnnDnVDVtV输出电压的直流平均值将（3-2），（3-4）代入到（3-1）中3.控制方式改变开关管T的导通时间，即改变导通占空比D，即可改变变压比M,调节或控制输出电压VO。(1)脉冲宽度调制方式PWM(PulseWidthModulation)开关频率不变，改变输出脉冲电压的宽度(2)脉冲频率调制方式PFM（PulseFrequencyModulation）脉宽不变，改变开关频率或周期。Q：为什么实际应用中广泛采用PWM方式？全控型开关管续流二极管LC输出滤波负载Buck变换器电路4.输出电压LC滤波滤波电感的作用：对交流高频电压电流呈高阻抗，对直流畅通无阻滤波电容的作用：对直流电流阻抗为无穷大，对交流电流阻抗很小。Q：如何选取LC？直流输出电压中含有各次谐波电压，在Buck开关电路的输出端与负载之间加接一个LC滤波电路，减少负载上的谐波电压。1.1.2电感电流连续时工作特性Buck变换器有两种可能的运行工况：（1）电感电流连续模式CCM(ContinuousCurrentMode)：指电感电流在整个开关周期中都不为零；（2）电感电流断流模式DCM（DiscontinuousCurrentMode）：指在开关管T阻断期间内经二极管续流的电感电流已降为零。二者的临界：称为电感电流临界连续状态：指开关管阻断期结束时，电感电流刚好降为零。1.电流连续时只有两种开关状态6)-(3OSLSVVdtdiLdtdiL7)-(3DLfVVTDLVVTLVViSOSSOSonOSL9)-(3)1()1(DLfVTDLVTLViSOSOoffOL(3-8)LOLdidtV(2)开关状态2：T管阻断,D管导通(1)开关状态1：T管导通,D管阻断Q:电流连续模式跟哪些因素有关?2.变压比、导通比的定义SonTTD/0/SMVVsonDTTsoffTDT)1(变压比与电路结构和导通比都有关系，它们之间的关系可用多种方法推导。由此了解电力电子电路的分析方法导通比（占空比）：变压比：用波形积分的方法求变压比vEO的直流分量V0为:2022211ssononTEOTsTSTSSonsSVvdtTVdtTVTTDV用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量周期性函数可以分解为无限项三角级数——傅立叶级数：10)sin()cos()(nnntnbtnaatF202000)()(21)()(1)(1tdtFtdtFTdttFTaT)()cos()(1)cos()(2200tdtntFdttntFTaTn)()sin()(1)sin()(2200tdtntFdttntFTbTn用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量周期性函数可以分解为无限项三角级数——傅立叶级数：10)sin()cos()(nnntnbtnaatFF(ωt)也可表达为：10)cos()(nnntnCCtF20000)()(21)(1tdtFdttFTaCT22nnnbaC用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量12sin()cosSEOSnSvDVnDntnVT在实际应用中，由于电路开关通-断状态在时间上的对称性，使电压、电流波形具有某些特定的对称性，从而使计算变得简单。物理上是指不存在某些电流或电压分量。偶函数（奇函数）：正弦（余弦和常数）项系数为零；半波对称(镜对称)函数（奇谐波函数）：偶次谐波为零；Q:什么是直流分量、基波、谐波、纹波?滤波器电感对谐波的阻抗为：ωL滤波器电容对谐波的阻抗为：1/ωC如果：CL1各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。滤波在开关电路中，常常利用电路前一周期初始状态与后一周期初始状态相同这一条件来求电路的稳态运行表达式。电感电流、电感磁链电容电压、电容电荷iLVCQ用开关电路的稳态条件求变压比电容C在一个开关周期内的充、放电电荷为：fiTiQLsL82221000max0min2222(1)81π(1)8212πLC/10~20/5%~1%socossccsooDVQVVVCLCfVfDDVLCfffffVV时，输出电压波动量ic=iL-Io=iL-IL0,C充电；ic0,C放电。GV0,T0EOSDLSViii导通SonDTTG0,T00EODLsViii截止用电感电流表达式求变压比T导通、D截止T截止、D导通稳态时：00(1)LsSLsViDTLVViDTL0SSVMDVV故有1.1.3电感电流断流时工作特性1.三种开关状态和变压比2.临界负载电流3.BUCK变换器输出电压外特性升高使00VVEOTTSonDM第三种状态:T、D都截止。变压比1.三种开关状态和变压比临界连续时：SVconst时08KmiSIVLf2.临界负载电流00012122(1)2(1)2LKLSSSSoIIIVVDTLVVDLfVDDLfVDLf时constV0LfVIKmo2003.Buck变换器输出电压外特性变换器的变压比（或输出电压）与占空比和负载电流的函数关系称为外特性。电感电流连续时，变压比等于占空比，输出电压与负载电流无关。控制特性是线性的。在电感电流断流的情况下，变压比M为(3-21)式，控制特性是非线性的。外特性从线性到非线性的转折点由临界负载电流确定。O22411MID设计图1.2(a)所示的BuckDC/DC变换器。电源电压Vs=147～220V，额定负载电流11A，最小负载电流1.1A，开关频率20KHz。要求输出电压Vo=110V；纹波小于1%。要求最小负载时电感电流不断流。计算输出滤波电感L和电容C，并选取开关管T和二极管D。例1.11.2直流-直流升压变换器（Boost变换器）1.2.1电路结构和升压原理1.2.2电感电流连续时工作特性1.2.3电感电流断流时工作特性1.2.1电路结构和升压原理1.2.2电流连续时的工作特性1.两种开关状态2.变压比和电压、电流基本关系1.两种开关状态SonDTTVG0,T管导通,D阻断1.两种开关状态SonSoffTDTTT)1(VG=0,T管阻断TTSonDTDTSoff)1(LSLdidtVSLsViDTLLSoLdidtVV0(1)SLsVViDTL0/1/(1)SMVVD2.变压比和电压、电流基本关系理想Boost变换器的变压比T导通,D截止T阻断，D导通T导通,D截止T阻断，D导通TSDTonTSDToff)1(SSVTonVDTs电感的磁链增量为：0/1/(1)SMVVD00()()(1)SSVVToffVVDTs电感磁链的减小量为：tVdtdiLdtdV2.变压比和电压、电流基本关系理想Boost变换器的变压比2.变压比和电压、电流基本关系假定负载电流平均值为IO01/1OOSLoSSSoIIIVVIVIVID因为001TSDIIIID输入电流和电感电流的电流平均值均为：通过二极管的电流ID等于负载电流IO（电容的平均电流为零）通过开关管T的电流平均值为：工作电流的平均值表达式2.变压比和电压、电流基本关系电感电流的脉动量为：00(1)(1)SLLLSSVIIIDTLVDDTDDVLLfmaxmaxmax0012(1)12TDLSLIIIIiIDDVDLf通过开关管T和D的电流最大值与电感电流的最大值相等：工作电流的其它表达式00max0min00011onsQDVVVITIDTICCCCf2.变压比和电压、电流基本关系输出电压脉动等于开关管T导通期间电容C的电压变化量，V0可近似地由下式确定理想Boost变换器输出电压纹波的大小理想情况下，T和D所承受的最大电压均与输出电压相等。2.变压比和电压、电流基本关系理想Boost变换器开关器件所承受的最大电压1.2.3电感电流断流时工作特性1.三种开关状态和变压比2.临界负载电流3.Boost变换器输出电压外特性1.三种开关状态与变压比VG0,T管导通,D截止ssLLDTLVIimax1.三种开关状态与变压比VG=0,T管阻断，D导通soffssooffsoLTTDTDLVVTLVVi/111os1/1LLDDiiMVVD1.三种开关状态与变压比)1(111)1(11111111DDDDDDDDDDDDDVVMsoVG=0,T管阻断，D管截止DM112max)1(2)1(2)1(2121DDLfVDDVVLfVTTDDTLVTTIIsooSsosssssoffLOB11,1/(1),/(1)osDDMDVVD)1/(1DM2.临界负载电流临界负载电流当负载电流IOIOB,电感电流连续当负载电流IO=IOB,电感电流处于连续与断流的边界当负载电流IOIOB,电感电流断流tttttLvDiTiLigVLLIImaxmaxLImaxL