第3章直流变换器.docx

U o U i DU iword第 3 章 直 流 变 换 器直流变换器， 即直流 - 直流变换器， 是将一种直流电源变换为另一种具有不同输出特性的直流电源直流变换是为解决系统效率，特别是大功率系统的效率而提出的解决方案它是一种将直流电能变换成负载所需的电压或电流可控的直流电能的电力电子装置它通过对电力电子器件的快速通、断控制而把恒定直流电压斩成一系列的脉冲电压，通过控制比的变化来改变这一脉冲序列的脉冲宽度，以实现输出电压平均值的调节，再经输出滤波器滤波，在被控负载上得到电压或电流可控的直流电能直流变换器按照电路拓扑可以分为根本的不带隔离变压器的直流变换器和带隔离变压器的直流变换器两大类根本的直流变换器是通过开关管，再经电容、电感等储能滤波元件将输入的直流电压变换为符合负载要求的直流电压或电流这种变换器适用于输入输出电压等级相差不大，且不要求电气隔离的应用场合根本的直流变换器有多种电路接线形式，根据其电路结构与功能分类，本章将讨论以下四种根本类型： 〔 1〕 Buck 直流变换器； 〔 2〕 Boost 直流变换器； 〔 3〕 Buck-Boost 直流变换器； 〔 4〕 Boost-Buck直流变换器。

其中， 〔 1〕 、〔 2〕两种是直流变换器最根本的结构；形式本章将详细分析上述四种变换器的根本原理和稳态工作特性，〔 3〕 、 〔 4〕是前两种根本结构的组合分析过程中， 为便于理解把变换器中的功率器件看作理想开关，并且对电路中电感和电容的损耗忽略不计此外还假定变换器的直流输入电源为理想的恒压电压源直流变换器输出端所带负载常用一等效电阻来表示而在直流电机驱动中，电机负载可表示为直流电压与绕组电阻和电感的串联等效电路3.1 根本直流变换器3.1.1 Buck 直流变换器Buck 变换器〔又称作降压变换器〕就是将直流输入电压变换成相对低的平均直流输出电压它的特点是输出电压比输入的电压低，但输出电流比输入电流高它主要用于直流稳压电源中，在这些应用场合，变换器的输出电压可根据输入电压和负载阻抗进展调节图 3-1 〔a〕给出了最简单的降压变换器的电路拓扑，假设图 3-1 〔a〕中的开关 V 为理想开关，即不计其损耗从图 3-1 〔 b〕可以看出，当开关管闭合时，输出电压 Uo 等于输入电压 Ui ；当开关管断开时，输出电压为 0；因此，可以由开关管占空比计算输出平均电压，即TONT 〔 3-1 〕由式〔 3-1 〕可知，通过改变占空比 D 即可以控制输出平均电压 Uo，并且输出平均电压 Uo 的值总是小于或者等于输入电压 Ui ；因此，这种变换器称为降压变换器。

图 3-1 纯电阻负载 buck 变换器的电路图1 / 15TON TONdiword图 3-2 〔a〕为一可实际应用的 buck 变换器的电路拓扑，图 3-2 〔b〕为输出电压波形这种降压变换器的工作原理是： 当开关 V 导通时， Ui 通过电感 L 向负载传递能量， 此时， i L 增加， 电感储能增加，如图 3-3 〔a〕所示当 V 断开时，由于电感电流 i L 不能突变， i L 通过二极管 VD续流，电感 L 上的能量逐步消耗在电阻 R 上， i L 降低， L 上储能减小，如图 3-3 〔 b〕所示由于 VD的单向导电性， i L 不可能为负，即总有 i L≥ 0，从而可在负载上获得单极性的输出电压由于在稳态分析中假定输出端滤波电容很大，如此输出电压可认为是平直的，即 uo(t) ≈Uo同样，由于稳态时电容的平均电流为 0，因而降压变换器中电感的平均电流等于平均输出电流 Io 。

由降压变换器的原理可以看出， 电感可以工作在连续电流工作方式， 也可以工作在不连续的工作状态电感电流连续的状态称为连续导电模式，反之如此称为不连续导电模式图 3-2 降压变换器电路图与电压波形图图 3-3 降压变换器开关变换对应电路当晶体管 V 导通时，电感中有电流流过且二极管为反向偏置，导致电感两端呈现正电压U i U o L dt 〔 3-2 〕在该电压作用下电感中电流线性上升，上式可写成U iUo L iomax iomin L iON 〔 3-3 〕2 / 15Uo L L Ldi2oUword当晶体管截止时，电感中电流不能突变，感应电势反号，迫使负电压，如此有U o L dt 〔 3-4 〕电感电流线性下降，上式可写为io min io max io max io min iOFTOF TOF TOF式中， TOF 为晶体管的截止时间。

在稳态时， iOF iONi L 经二极管导通，此时 uL=-Uo 呈现〔 3-5 〕i，联解式〔 3-3 〕和式〔 3-5 〕得到o DU i 〔 3-6 〕式〔 3-6 〕和式〔 3-1 〕完全一样，这是因为电感滤波保持了直流分量，消除了谐波分量有关点的波形如图 3-4 所示输出电流平均值I L I o 1 (i o min i o max )U〔 3-7 〕R图 3-4 降压变换器波形图在恒定占空比下，变换器的输出电压与输出电流的关系 U o f (io) D 称为变换器的外特性式〔 3-6 〕表示了电感电流连续时变换器的外特性，输出电压与负载电流无关当负载电流减少，可能出 现电感电流断续由式〔 3-3 〕和式〔 3-5 〕可见，当输入电压和输出电压一定时， i 是常数又由式〔 3-7 〕可见，3 / 1521iU oT 21 12L1U iT8 LwordI当负载电流减少到Gi o min 0 时，I G I o min i o max有关的波形如图 3-5 所示。

iomax i ，此时最小负载电流 I o min ，即为电感临界连续电流〔 3-8 〕2图 3-5 连续与连续临界条件下的电流电压波形考虑到式〔 3-3 〕和式〔 3-6 〕I G U iT D (1 D ) 〔 3-9 〕由上式可见，临界连续电流与占空比的关系为二次函数当 D 时，临界电流达到最大值2I G max 〔 3-10 〕将式〔 3-10 〕代入式〔 3-9 〕得到I G 4 I G max D (1 D ) 〔 3-11 〕因临界连续是连续的特例，在降压式变换器中 D 在给定占空比 D 时，如负载电流大于式U i〔 3-11 〕决定的 I G 电感电流连续，电压比 Uo 与负载无关如负载电流小于式〔U i此电感电流不连续，波形如图 3-6 所示3-11 〕决定的 I G ，如由 图 可 见， 在 关 断 时 间 TOF 完 毕 前 续 流 二 极 管 电 流 就 下 降 到 零， 此 时 输 出 平 均 电 流I o ( i ON T ON i OF T OF ) 〔 3-12 〕式中， TOF 是晶体管关断后电流持续时间，式中4 / 15ON(U iLUL12 U i U oD 2 U o2T U o( iON TONwordiONiOF稳态时，T OF也可以由伏图 3-6 电感电流不连续时波形图1 U o )TON 〔 3-13 〕( U o )TOF 〔 3-14 〕i iOF ，由式〔 3-13 〕和式〔 3-14 〕得到U i U o TON 〔 3-15 〕o- 秒积相等的原如此求得上式。

将式〔 3-15 〕代入式〔 3-12 〕得到。