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
128页1、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
2、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
3、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
4、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)
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