电力电子技术基础教学课件作者邢岩第3章节DC-DC变换电路课件幻灯片

第3章 DC-DC 变换器,主要内容： 3.1 概述 3.2 单管非隔离变换电路 3.3 单管隔离式变换电路 3.4 多管变换电路 3.5 双向DC-DC变换器 3.6 软开关变换器,常用DC/DC变换器拓扑,本章讨论电压型变换器，即输入输出都是直流电压,3.1 概述,图3-1 线性稳压电源,线性稳压电源：通过将输入和输出功率/电压的差值消耗在稳压电路上来实现输出稳压,IiIo,图3-2 斩波电路和开关电源,开关电源：1）斩波调节输出电压（直流分量） 2）滤波得到平滑直流输出电压,理想L、C和开关元件不消耗功率,所以理论效率100,图3-3 DC-DC变换器的6种基本拓扑,(a) Buck (b) Boost (c) Buck-Boost (d) Cuk (e) Zeta (f) SEPIC,3.2 单管非隔离变换电路,3.2.1 Buck变换器 3.2.2 Boost变换器 3.2.3 升降压式变换器 3.2.4 6种基本拓扑的比较,图3-4 理想Buck变换器,Q主开关管 VD续流二极管 L, C输出滤波电 感电容,3.2.1 Buck变换器,工作原理,图3-5 一个开关周期内的等效电路,Q导通、VD关断 (b) Q关断、VD导通 (c) Q和VD都关断,定义： 开关周期 T=Ton+Toff 开关频率 f=1/T 占空比 D=Ton/T,(1) 电感电流连续模式(CCM) Q on（导通）期间：,(3-2),Q off（关断）期间：,(3-3),稳态时 iLon=-iLoff=iL,代入（3-1）（33），得 Uo=DUi (3-4),由于占空比D1，因此Uo Ui 图3-4称为降压式（Buck）变换器。,(2) 电感电流临界连续模式 (CRM) 临界连续时的负载电流 IG :,将(3-2)、(3-4)代入(3-5)，得：,(3-6),D=0.5时，IG 最大，且,(3-7),稳态时负载电流Io等于电感电流平均值IL,代入式（3-2）和（3-8）,（3-9）,（3-10）,式（3-1）（3-10）代入式（3-9），并整理，得,再将式（3-2）（3-7)代入（3-11），整理可得,DCM Buck变换器的输出电压与负载有关,（3-11）,2. Buck变换器理想条下的外特性 定义：在一定占空比下，变换器的输出电压与输出电流(这里实际上是平均电流)的关系称为变换器的外特性,由式(3-4)和(3-12), 得理想Buck变换器外特性:,（3-14）,图3-9 理想Buck变换器的标幺外特性,3. 开关器件应力分析 1) 开关管Q,最大电压为Ui 峰值电流为 isP=IL+iL/2= Io+iL/2 =Io+Uo(1-D)T/(2L) Ui最高时isp最大,2) 二极管VD 最大电压为Ui 电流有效值:,1) 电感L 设临界连续点负载电流为Iomin，将IG=Iomin代入(3-6)，得,4. 输出滤波参数设计,2) 电容C（按理想电容考虑）,根据要求的输出电压纹波设计,ic0时电容充电，ic0时电容放电,(3-16),图3-10 输出电容电流与电压纹波,充电时间段：,iLon表达式代入上式并整理，得,开关管和二极管有正向导通压降或导通电阻，滤波电感有线圈电阻 实际参数都造成变换器的内部损耗(等效内阻)，使外特性下垂。,5. 实际器件参数对Buck变换器外特性的影响,在相同占空比下，实际Buck变换器的输出电压小于理想情况。 同样输入电压下，要维持输出电压不变、必须控制占空比随负载电流增大而有所增大。,另一种分析方法: 对电感应用伏-秒平衡原理（稳态时，一个开关周期电感两端的平均电压为零） CCM： (Ui-Uo)*DT-Uo *(1-D)T=0 Uo=DUi,+ -,3.2.2 Boost变换器,图3-11 理想Boost变换器,1. 工作原理,图3-12 Boost变换器等效电路,(a) Q导通、VD关断 (b) Q关断、VD导通 (c) Q和VD都关断,(1) 电感电流连续模式 Q 导通期间： Q 关断期间：,(3-17),(3-18),稳态时 iLon=-iLoff= iL,（319）,总是UoUi，故称：升压式(Boost)变换器,代入（3-17）（3-18），可推导出,图3-14 Boost变换器工作波形(CRM),(2) 电感电流临界连续模式 Q 导通期间： Q 关断期间：,(3-17),(3-18),负载电流Io等于二极管电流的平均值ID， 临界连续时的负载电流Io用IG表示,将式（3-17）代入上式，可得,可见，当D0.5时，IG最大，为：,（3-21）,（3-20）,(3) 电感电流断续模式 Q 导通VD关断： Q 关断VD导通： Q 和D都关断： iL=0 稳态 -iLoff1=iLon=iL,（3-23）,负载电流Io等于二极管平均电流ID,Io,再将式（3-17）（3-21）代入上式，可得,2. Boost变换器理想条件下的外特性,Io0时，Uo D1时，Uo,3.开关器件应力分析,1）开关管Q VD导通时Q承受最大（正向）电压Uo。 Q的电流峰值isp等于电感电流（也是输入电流）峰值,电感电流连续时,2）二极管VD Q导通时VD承受最大电压Uo。 输出电流Io是二极管电流iD的平均值，忽略电感电流纹波，即二极管电流的波形则近似为流通时间为(1-D)T、幅度为Io/(1-D)的矩形波，可得 二极管电流有效值,4. 输出滤波参数设计 1）电感值L 和Buck变换器一样，电感L根据允许的电感电流纹波或临界连续负载电流Iomin（即工作在连续模式的最小负载电流）来设计 令IG=Iomin，由式（3-20)，有,内容: 拓扑 工作原理分析特性: on/off等效电路状态方程 参数设计 几个特点: 1. iin=iL ; Io=ID 2. 峰值电流: iQ 、iD 和 iL相同 3. 输入电流纹波小而输出电流纹波大.,Boost变换器:小结,1. Buck-Boost变换器的工作原理和特性(CCM),图3-17 理想Buck-Boost变换器及其等效电路(CCM),Buck-Boost变换器 (b) Q导通、VD关断 (c) Q关断、VD导通,3.2.3 升降压式变换器,D0.5时，Uo/Ui1,对电感应用伏-秒平衡原理：,（3-25）,即,故称： 升/降式变换器,2. Cuk变换器的工作原理,图3-18 Cuk变换器,升/降式变换器,3.2.4 6种基本拓朴的比较,3.3 单管隔离式变换电路,3.3.1 单端反激变换器 3.3.2 单端正激变换器,1. 工作原理,图3-19 单端反激变换器,T兼有隔离和储能电感的作用，故称为电感-变压器 根据电感-变压器的储能是否连续，反激变换器有连续和断续两种工作模式,定义变压器匝比n=N1/N2,3.3.1 单端反激（Flyback）变换器,（1）连续模式,图3-20 反激变换器主要波形(CCM),电感-变压器二次绕组电流i2（也即电感-变压器储能）在二极管续流状态结束（即Q将要再次开通）时尚未下降到零,对变压器T的一次绕组应用伏秒平衡原理,反激变换器是隔离式的升降压式变换器,可得,（3-28）,另一种分析方法（CCM）， 参见图3-20 ：,Q导通、VD关断期间,式中L1和i1分别表示T原边电感和电流，i1on=i1m-i1n,（3-30）,（3-29）,Q关断、VD导通期间,式中L2和i2分别表示T副边电感和电流,i2off=i2n-i2m,根据磁元件的安匝数不能突变，在Q导通和关断的转换时刻，有 i1mN1=i2mN2，i1nN1=i2nN2 所以 i1on N1=-i2off N2 （3-31) 又,由式（3-29）（3-32）也可以导出（3-28）式,（3-32),（2）临界连续模式,图3-21 (a) 临界连续模式主要波形,电感-变压器副边绕组电流i2 （也即电感-变压器储能）在二极管续流状态结束（即Q将要再次开通）时刚好下降到零,负载电流Io等于二极管电流平均值ID 临界连续时的Io用IG表示,也是当D0.5时，IG最大，为：,（3）断续模式,Q再次导通之前i2已经下降到零,图3-21 (b) 断续模式主要波形,反激变换器在断续模式下的标幺外特性,图3-22 理想反激变换器的标幺外特性曲线,反激变换器结构简单，在小功率隔离电源中应用广泛，为减小电感-变压器的体积，一般设计其电感值较小，令变换器在整个负载范围内都工作在断续模式。,2. 器件应力分析和参数设计 只分析断续工作模式 Q最大正向电压 Ui+nUo Q电流峰值,式中Ii，Po，分别为输入平均电流、输出功率和效率,VD最大反向电压 Ui/n+Uo VD电流有效值,如果设计变换器在最大负载下临界连续，则此时 Toff1=(1-D)T,设计反激变换器工作在断续模式，即最大负载电流Iom不大于临界连续负载电流IG，则要求变压器一次侧激磁电感,滤波电容C的设计与Boost变换器同理,Flyback变换器特点: 简单(T兼作L)，输入电压范围宽， 输入输出电流纹波都大，Q电压应力高 适于小功率应用,单端隔离式DC-DC变换器，“单端”的含义是指，在一个开关周期内，直流输入功率只从变压器原边绕组的一端流入。单端隔离式变换器的主要缺点是：功率只在开关管导通时间DT内输入变压器，变压器磁芯只在B-H平面第一象限运行，因此磁芯不能得到充分利用。,3.3.2 单端正激（Forward）变换器,图3-23 单端正激变换器电路拓扑,定义 n=N1/N2,N1：一次绕组 N2：二次绕组 N3：复位绕组,Q导通 续流磁复位,续流 （磁复位结束）,连续模式（即滤波电感电流连续）下的工作模态,图3-24 正激变换器主要工作波形（CCM）,对电感L列写伏秒平衡方程 (Ui/n-Uo)DT-Uo(1-D)T=0 故,正激变换器属于降压式变换器,（3-38）,正向磁化 磁复位,Q、VD1、VD2和VD3 承受的最大电压应力分别为,，,，,，,3.4 多管变换电路,3.4.1 推挽变换器 3.4.2 半桥变换器 3.4.3 全桥变换器 3.4.4 隔离式DC-DC PWM变换器比较,3.4.1推挽（Push-Pull）变换器,图3-25 推挽式DC-DC变换器,定义： N11=N12=N1 N21=N22=N2 n=N1/N2 Q1和Q2以相同的占空比D交替导通,1) 0tTon,2) TontT/2,3) T/2tT/2+Ton,4) T/2+TontT,在电感电流连续模式，一个开关周期内有四个阶段：,（1）0tTon：Q1导通、Q2关断，输入电压加在N11绕组、变压器正向磁化， “ ”端为正， VD3导通，VD4截止，A点电位为Ui/n，iL上升；磁通由-m变化到m。 （2）TontT/2：Q1、Q2都关断，变压器二次绕组电压消失。电感L电流不能突变，迫使VD3和VD4同时导通续流，若忽略激磁电流，则每个整流管流过iL/2，A点电位为零，电感电流iL下降。 N21和N22绕组流过极性相反的电流，使变压器被短路（端电压为零），保持磁芯磁通不变(=m)，激磁电流通过二次绕组流通，且在本阶段保持不变。,（3）T/2tT/2+Ton：Q2导通、Q1关断，输入电压加在N12绕组、变压器反向磁化，电势均“ ”端为负，VD4导通，VD3截止, 电感电流iL上升；磁芯磁通由m变化到-m。 （4）T/2+TontT：Q1和Q2都关断，VD3和VD4同时导通续流，每个整流管流过iL/2，变压器短路，保持磁芯磁通不变(=-m)；iL下降。,图3-26 推挽式DC-DC变换器主要波形(CCM),电感电流iL的波动频率是Q1、Q2开关频率的两倍，即2f