直流-直流變換技術(shù)

電力電子技術(shù)主講:葉紅芳電話：681118作業(yè)郵箱：1761700@qq.COM2.1概述2.2降壓式變換器2.3升壓式變換器2.4升降壓式變換器2.5庫(kù)克變換器*2.6正激式變換器2.7反激式變換器2.8橋式變換器*2.9多象限直流變換器*2.10其他典型直流變換器*2.11應(yīng)用示例*直流-直流變換技術(shù)2.1概述■直流-直流變換電路及功能功能將直流電變換為另一種固定電壓或可調(diào)電壓的直流電分類無(wú)變壓器隔離DC-DC變換器有變壓器隔離DC-DC變換器■無(wú)變壓器隔離基本DC-DC變換器降壓式變換器（BuckConverter）升壓式變換器（BoostConverter)升降壓式變換器（Buck-BoostConverter）庫(kù)克變換器（CukConverter）Sepic變換器（SepicConverter）Zeta變換器（ZetaConverter）2.1概述■有變壓器隔離基本DC-DC變換器正激式變換器(ForwardConverter)反激式變換器(FlybackConverter)半橋式變換器(Half-BridgeConverter)橋式變換器(BridgeConverter)推挽變換器（Push-Pullconverter)2.1概述■開(kāi)關(guān)調(diào)壓的基本原理輸出平均電壓：改變可以改變輸出電壓2.1概述■占空比的定義開(kāi)關(guān)接通的占空比定義為：其中：ton為開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，T為開(kāi)關(guān)周期。■調(diào)節(jié)占空比的方法脈沖寬度調(diào)制（PWM）在整個(gè)工作過(guò)程中，開(kāi)關(guān)頻率不變，而開(kāi)關(guān)接通的時(shí)間按照要求變化。脈沖頻率調(diào)制（PFM）在整個(gè)工作過(guò)程中，開(kāi)關(guān)接通的時(shí)間不變，而開(kāi)關(guān)頻率按照要求變化。2.1概述■Buck電路基本結(jié)構(gòu)及其工作時(shí)的等效電路2.2降壓式變換器■等效的電路模型及直流變換器穩(wěn)態(tài)工作基本規(guī)律電感L和電容C組成低通濾波器，輸出電壓uo(t)就是us(t)的直流分量Uo再附加微小紋波uripple(t)。

有：——小紋波近似（穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，電容上的電壓是直流分量和微小紋波的合成。）2.2降壓式變換器■等效的電路模型及直流變換器穩(wěn)態(tài)工作基本規(guī)律一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電容包含充電和放電兩個(gè)過(guò)程，穩(wěn)態(tài)時(shí)電路達(dá)到穩(wěn)定平衡，電容上平均電壓維持不變——電容充放電平衡（穩(wěn)態(tài)工作時(shí)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電容充放電平衡。）2.2降壓式變換器■等效的電路模型及直流變換器穩(wěn)態(tài)工作基本規(guī)律開(kāi)關(guān)S置于1位時(shí)（Δt1)，電感電流增加（ΔI1)，電感儲(chǔ)能；而當(dāng)開(kāi)關(guān)S置于2位時(shí)（Δt2)，電感電流減小（ΔI2)，電感釋能。穩(wěn)態(tài)狀況下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感平均磁鏈維持不變，電感電流平均增量為零（）——

電感伏秒平衡2.2降壓式變換器■電感電流連續(xù)模式（CCM）下穩(wěn)態(tài)工作波形分析分析過(guò)程假定：（1）忽略器件開(kāi)關(guān)時(shí)間（2）忽略元器件工作損耗和寄生參數(shù)影響（3）忽略電路的分布參數(shù)影響（4）輸入為理想直流電源，忽略內(nèi)阻、紋波、電壓波動(dòng)假定條件是對(duì)實(shí)際電路的一種簡(jiǎn)化與近似，實(shí)際電路通過(guò)合理的工藝設(shè)計(jì)，其工作狀態(tài)一般接近于假定的狀態(tài)。約定：小寫(xiě)字母表示瞬時(shí)值，大寫(xiě)字母表示直流。2.2降壓式變換器晶體管導(dǎo)通狀態(tài)（0

t

t1）VT開(kāi)通、VD關(guān)斷，Ud恒定，有：

（小紋波近似）則：基本恒定，電流線性變化有：

（io恒定，iC與iL同斜率）io2.2降壓式變換器二極管導(dǎo)通模式（t1

t

t2）

VT關(guān)斷，電感續(xù)流VD導(dǎo)通，有：輸出電流線性減小，有：2.2降壓式變換器io2.2降壓式變換器■電感電流連續(xù)模式（CCM）下工作參數(shù)分析由穩(wěn)態(tài)時(shí)電感伏秒平衡的規(guī)律，得：

忽略電路工作產(chǎn)生的損耗，輸入輸出能量守恒，有：

其中：Iin為輸入平均電流（直流電流），Io為輸出直流電流，D為占空比，Ud為輸入直流電壓，Uo為輸出直流電壓。2.2降壓式變換器考慮到穩(wěn)態(tài)工作時(shí)電感伏秒平衡的特點(diǎn)，電容紋波峰峰值為：電感電流脈動(dòng)峰峰值為：

——LC濾波器設(shè)計(jì)約束條件輸出電容電壓波形2.2降壓式變換器■電感電流臨界連續(xù)、斷續(xù)工作模式簡(jiǎn)介2.2降壓式變換器電感電流臨界連續(xù)狀態(tài)

電感電流斷續(xù)狀態(tài)對(duì)于CCM狀態(tài)對(duì)于DCM狀態(tài)■電感電流斷續(xù)模式（DCM）下穩(wěn)態(tài)工作波形分析0

t

t1時(shí)段（VT開(kāi)通）VD關(guān)斷，電路拓?fù)?、電路方程與CCM狀態(tài)一致，區(qū)別在于每個(gè)周期電感電流從零開(kāi)始增長(zhǎng)。t1

t

ts時(shí)段（VT關(guān)斷）電感續(xù)流，VD開(kāi)通，電路拓?fù)?、電路方程與CCM狀態(tài)一致，區(qū)別在于每個(gè)周期電感電流在ts時(shí)刻衰減到零。ts

tt2時(shí)段（VT、VD關(guān)斷）電感電流為零，電感電壓為零，電容放電供給負(fù)載。2.2降壓式變換器2.2降壓式變換器Buck電路電感電流連續(xù)的臨界條件輸出電流大于臨界連續(xù)時(shí)電感平均電流，即：——LC濾波器設(shè)計(jì)約束條件之一實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況！2.2降壓式變換器課堂思考利用Buck電路設(shè)計(jì)一開(kāi)關(guān)電源，計(jì)算電路相關(guān)參數(shù)。電路工作于電感電流連續(xù)狀態(tài)，設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：（1）輸入電壓30V；（2）輸出電壓10V；（3）輸出紋波峰峰值不大于100mV；（4）輸出電流最大1A，最小100mA；（5）電源開(kāi)關(guān)頻率100kHz。2.2降壓式變換器電路參數(shù)設(shè)計(jì)目標(biāo)（1）電感參數(shù)設(shè)計(jì)：需得到電感量與最大峰值電流、最大有效值電流三個(gè)參數(shù)；（2）電容參數(shù)設(shè)計(jì)：需得到電容量與額定電壓兩個(gè)參數(shù)；（3）MOSFET開(kāi)關(guān)管選擇：需得到額定電流、額定電壓兩個(gè)參數(shù)；（4）二極管選擇：需得到額定電流、額定電壓兩個(gè)參數(shù)。2.2降壓式變換器設(shè)計(jì)方法（1）由輸入輸出電壓關(guān)系，計(jì)算D（2）設(shè)計(jì)電感參數(shù)Buck變換器電感電流平均值即為輸出直流值，當(dāng)輸出最小電流時(shí)，電感電流應(yīng)至少處于電感電流臨界連續(xù)才能維持整個(gè)工作范圍電感電流連續(xù)。由電感電流連續(xù)條件：2.2降壓式變換器計(jì)算得到電感峰值電流有效值電流（3）計(jì)算電容參數(shù)由輸出紋波要求實(shí)際可選取電容量為3.3μF以上。電容工作時(shí)承受最高電壓為10V，可選額定電壓為16V以上。2.2降壓式變換器（4）計(jì)算MOSFET的額定電流、額定電壓

由工作波形確定實(shí)際可選取參數(shù)：額定電流1.5A以上，額定電壓50V以上。（5）計(jì)算二極管額定電流、額定電壓與計(jì)算MOS管電流類似，二極管額定電流由工作波形可以確定，二極管承受最高電壓為30V。實(shí)際可選二極管參數(shù)：額定電流1A以上，額定電壓60V以上選擇快速恢復(fù)二極管。2.2降壓式變換器仿真練習(xí)將上述設(shè)計(jì)的Buck電路在PSIM中進(jìn)行建模仿真，觀察各波形。2.2降壓式變換器■Boost電路基本結(jié)構(gòu)及其工作時(shí)的等效電路2.3升壓式變換器■電感電流連續(xù)模式（CCM）下工作波形分析晶體管導(dǎo)通狀態(tài)（0t

t1=DT）VT開(kāi)通、VD關(guān)斷，有：2.3升壓式變換器二極管VD導(dǎo)通模式（t1

t

t2=T

）VT關(guān)斷，電感續(xù)流，VD導(dǎo)通，有：考慮電感伏秒平衡，電感電流為下降曲線。（斜率與電感電流相同）2.3升壓式變換器2.3升壓式變換器■電感電流連續(xù)模式（CCM）下工作參數(shù)分析電感伏秒平衡，有：忽略電路工作產(chǎn)生的損耗，輸入輸出能量守恒，有：2.3升壓式變換器考慮到穩(wěn)態(tài)工作時(shí)電感伏秒平衡的特點(diǎn)，電感充放電過(guò)程電流波動(dòng)值相等，晶體管導(dǎo)通時(shí)有：輸出電壓脈動(dòng)很小，一個(gè)周期內(nèi)電容充放電平衡，根據(jù)ic波形，Q的時(shí)間為DT，則輸出紋波峰峰值為：——LC濾波器設(shè)計(jì)約束條件之一2.3升壓式變換器■電感電流斷續(xù)模式（DCM）下工作波形分析0

t

t1時(shí)段（VT開(kāi)通）

VD關(guān)斷，電路拓?fù)?、電路方程與CCM狀態(tài)一致，區(qū)別在于每個(gè)周期電感電流從零開(kāi)始增長(zhǎng)。t1

t

ts時(shí)段（VT關(guān)斷）電感續(xù)流，VD開(kāi)通，電路拓?fù)洹㈦娐贩匠膛cCCM狀態(tài)一致，區(qū)別在于每個(gè)周期電感電流在ts時(shí)刻衰減到零。ts

tt2時(shí)段（VT、VD關(guān)斷）電感電流為零，電感電壓為零，電容放電供給負(fù)載。2.3升壓式變換器2.3升壓式變換器Boost電路電感電流連續(xù)的臨界條件輸出電流大于臨界連續(xù)時(shí)二極管平均電流，即：——LC濾波器設(shè)計(jì)約束條件之一2.3升壓式變換器課堂思考利用Boost電路設(shè)計(jì)一開(kāi)關(guān)電源，計(jì)算電路相關(guān)參數(shù)。電路工作于電感電流連續(xù)狀態(tài)，設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：（1）輸入電壓10V；（2）輸出電壓30V；（3）輸出紋波峰峰值不大于300mV；（4）輸出電流最大1A，最小100mA；（5）電源開(kāi)關(guān)頻率100kHz。2.3升壓式變換器電路參數(shù)設(shè)計(jì)目標(biāo)（1）電感參數(shù)設(shè)計(jì)：需得到電感量與最大峰值電流、最大有效值電流三個(gè)參數(shù)；（2）電容參數(shù)設(shè)計(jì)：需得到電容量與額定電壓兩個(gè)參數(shù)；（3）MOSFET開(kāi)關(guān)管選擇：需得到額定電流、額定電壓兩個(gè)參數(shù)；（4）二極管選擇：需得到額定電流、額定電壓兩個(gè)參數(shù)。2.3升壓式變換器設(shè)計(jì)方法（1）由輸入輸出電壓關(guān)系，計(jì)算D（2）設(shè)計(jì)電感參數(shù)Boost變換器電感電流平均值即為輸入直流值，當(dāng)輸出最小電流時(shí)，電感電流應(yīng)至少處于電感電流臨界連續(xù)才能維持整個(gè)工作范圍電感電流連續(xù)。由電感電流連續(xù)條件：2.3升壓式變換器計(jì)算得到有效值電流電感峰值電流（3）計(jì)算電容參數(shù)由輸出紋波要求實(shí)際可選取電容量為22μF以上。電容工作時(shí)承受最高電壓為30V，可選額定電壓為50V以上。2.3升壓式變換器（4）計(jì)算MOSFET的額定電流、額定電壓

由工作波形確定實(shí)際可選取參數(shù)：額定電流5A以上，額定電壓50V以上。（5）計(jì)算二極管額定電流、額定電壓與計(jì)算MOS管電流類似，二極管額定電流由工作波形可以確定，二極管承受最高電壓為30V。實(shí)際可選二極管參數(shù)：額定電流2A以上，額定電壓60V以上選擇快速恢復(fù)二極管。2.3升壓式變換器仿真練習(xí)將上述設(shè)計(jì)的Boost電路在simulink中進(jìn)行建模仿真，觀察各波形。2.3升壓式變換器■Buck-Boost電路基本結(jié)構(gòu)及其工作時(shí)的等效電路2.4升降壓式變換器■電感電流連續(xù)模式（CCM）工作波形分析晶體管導(dǎo)通狀態(tài)（0t

t1=DT）VT開(kāi)通、VD關(guān)斷，有：2.4升降壓式變換器二極管VD導(dǎo)通模式（t1

t

t2=T

）VT關(guān)斷，電感續(xù)流，VD導(dǎo)通，有：

iL線性減小，電流為下降曲線。（斜率與電感電流相同）2.4升降壓式變換器2.4升降壓式變換器■電感電流連續(xù)模式（CCM）下工作參數(shù)分析電感伏秒平衡，有：忽略電路工作產(chǎn)生的損耗，輸入輸出能量守恒，有：2.4升降壓式變換器考慮到穩(wěn)態(tài)工作時(shí)電感伏秒平衡的特點(diǎn)，電感充放電過(guò)程電流波動(dòng)值相等，晶體管導(dǎo)通時(shí)有：輸出電壓脈動(dòng)很小，一個(gè)周期內(nèi)電容充放電平衡，根據(jù)ic波形，Q的時(shí)間為DT，則輸出紋波峰峰值為：——LC濾波器設(shè)計(jì)約束條件之一2.4升降壓式變換器■電感電流斷續(xù)模式（DCM）下工作波形分析0

t

t1時(shí)段（VT開(kāi)通）

VD關(guān)斷，電路拓?fù)?、電路方程與CCM狀態(tài)一致，區(qū)別在于每個(gè)周期電感電流從零開(kāi)始增長(zhǎng)。t1

t

ts時(shí)段（VT關(guān)斷）電感續(xù)流，VD開(kāi)通，電路拓?fù)?、電路方程與CCM狀態(tài)一致，區(qū)別在于每個(gè)周期電感電流在ts時(shí)刻衰減到零。ts

tt2時(shí)段（VT、VD關(guān)斷）電感電流為零，電感電壓為零，電容放電供給負(fù)載。2.4升降壓式變換器2.4升降壓式變換器Buck-Boost電路電感電流連續(xù)的臨界條件輸出電流大于臨界連續(xù)時(shí)二極管平均電流，即：——LC濾波器設(shè)計(jì)約束條件之一2.4升降壓式變換器課堂思考利用Buck-Boost電路設(shè)計(jì)一開(kāi)關(guān)電源，計(jì)算電路相關(guān)參數(shù)。電路工作于電感電流連續(xù)狀態(tài)，設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：（1）輸入電壓15V；（2）輸出電壓10V~30V；（3）輸出紋波峰峰值不大于100mV；（4）輸出電流最大1A，最小100mA；（5）電源開(kāi)關(guān)頻率100kHz。2.4升降壓式變換器電路參數(shù)設(shè)計(jì)目標(biāo)（1）電感參數(shù)設(shè)計(jì)：需得到電感量與最大峰值電流、最大有效值電流三個(gè)參數(shù)；（2）電容參數(shù)設(shè)計(jì)：需得到電容量與額定電壓兩個(gè)參數(shù)；（3）MOSFET開(kāi)關(guān)管選擇：需得到額定電流、額定電壓兩個(gè)參數(shù)；（4）二極管選擇：需得到額定電流、額定電壓兩個(gè)參數(shù)。2.4升降壓式變換器設(shè)計(jì)方法（1）由輸入輸出電壓關(guān)系，計(jì)算D（2）設(shè)計(jì)電感參數(shù)由電感電流連續(xù)條件（占空比最小狀態(tài)）：2.4升降壓式變換器計(jì)算得到有效值電流電感峰值電流（3）計(jì)算電容參數(shù)由輸出紋波要求實(shí)際可選取電容量為100μF以上。電容工作時(shí)承受最高電壓為30V，可選額定電壓為50V以上。2.4升降壓式變換器（4）計(jì)算MOSFET的額定電流、額定電壓

由工作波形確定實(shí)際可選取參數(shù)：額定電流5A以上，額定電壓90V以上。（5）計(jì)算二極管額定電流、額定電壓與計(jì)算MOS管電流類似，二極管額定電流由工作波形可以確定，二極管承受最高電壓為45V。實(shí)際可選二極管參數(shù)：額定電流2A以上，額定電壓90V以上選擇快速恢復(fù)二極管。2.4升降壓式變換器仿真練習(xí)將上述設(shè)計(jì)的Buck-Boost電路在simulink中進(jìn)行建模仿真，觀察各波形。2.4升降壓式變換器■正激變換電路基本結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理分析2.6正激式變換器■電感電流連續(xù)模式（CCM）工作波形分析晶體管導(dǎo)通狀態(tài)（0tt1=DT）

VT導(dǎo)通，；副邊N2感應(yīng)正電壓使VD1導(dǎo)通、VD2截止，副邊N3感應(yīng)電壓與Ud疊加，使VD3截止，電感兩端電壓為：2.6正激式變換器晶體管關(guān)斷狀態(tài)（t1

t

t3＝T）繞組N1中的激磁電流轉(zhuǎn)移到繞組N3中，VD3導(dǎo)通，N3

繞組電壓為Ud；由于同名端的關(guān)系，N3繞組的電壓具有反向去磁作用，形成磁復(fù)位；此時(shí)N2繞組感應(yīng)電壓導(dǎo)致VD1關(guān)斷，電感L續(xù)流導(dǎo)致VD2導(dǎo)通，電感兩端電壓為：

在t2之前，勵(lì)磁電流在N3

繞組續(xù)流，在Ud作用下線性小，導(dǎo)致變壓器磁通密度BTr線性遞減，至t2時(shí)刻降至零，磁路復(fù)位VD3關(guān)斷，此時(shí)全部繞組均無(wú)電流，2.6正激式變換器2.6正激式變換器■電感電流連續(xù)模式（CCM）下工作參數(shù)分析穩(wěn)態(tài)工作時(shí)電感伏秒平衡，有：

上式表明：正激DC-DC變換電路的輸出電壓平均值和Buck電路一樣與D成正比，不同的是還與匝數(shù)有關(guān)。為避免變壓器飽和，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)磁路必須復(fù)位，即0

t

t1

階段磁鏈增量不能大于t1

t

t3階段磁鏈衰減量，有：

這是正激變換器一個(gè)重要的約束條件。

2.6正激式變換器■電感電流斷續(xù)模式（DCM）下工作波形分析0

t

t1時(shí)段（VT開(kāi)通）VD2、VD3關(guān)斷，VD1導(dǎo)通，電感電流從零開(kāi)始增長(zhǎng)。t1

t

ts時(shí)段（VT關(guān)斷）N1勵(lì)磁電流經(jīng)N3續(xù)流，VD3開(kāi)通，至t2時(shí)刻磁復(fù)位；VD1關(guān)斷，電感續(xù)流VD2

導(dǎo)通，電感電流在ts時(shí)刻衰減到零。ts

tt3時(shí)段（VT、VD1、VD2、VD3關(guān)斷）電感電流為零，電感電壓為零，電容放電供給負(fù)載。2.6正激式變換器2.6正激式變換器■正激電路電感電流連續(xù)的臨界條件輸出電流大于臨界連續(xù)時(shí)二極管平均電流，即：——LC濾波器設(shè)計(jì)約束條件之一2.6正激式變換器課堂思考設(shè)計(jì)一個(gè)正激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，電源工作在CCM模式，設(shè)計(jì)要求如下：（1）輸入直流電壓100V~150V；（2）輸出直流電壓5V；（3）最大輸出電流5A，最小輸出電流100mA；（4）輸出電壓紋波峰峰值不大于100mV；（5）開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定為100kHz。設(shè)計(jì)電路相關(guān)參數(shù)，變壓器僅要求計(jì)算匝比、功率。2.6正激式變換器（1）變壓器參數(shù)計(jì)算設(shè)定N1=N3，則最大占空比為0.5，最小輸入電壓時(shí)占空比達(dá)到最大，則N1、N2之比可由輸入輸出關(guān)系計(jì)算：變壓器額定功率：2.6正激式變換器（2）輸出濾波電感參數(shù)計(jì)算電感電流連續(xù)：極限狀態(tài)滿足要求：與Buck電路類似，電感最大峰值電流、最大有效值電流為：2.6正激式變換器（3）輸出濾波電容參數(shù)計(jì)算參考Buck電路：實(shí)際可選取電容：額定容量不小于4.7μF，額定電壓不小于16V。2.6正激式變換器（4）輸出整流二極管參數(shù)計(jì)算VD1電流參數(shù)計(jì)算參考Buck電路MOS管：

額定電流VD2電流參數(shù)計(jì)算參考Buck電路二極管：

額定電流二極管承受的最大電壓為15V。二極管可選擇相同參數(shù)：額定電流5A以上，額定電壓30V以上。2.6正激式變換器（5）MOS管參數(shù)計(jì)算MOS管開(kāi)通時(shí)，電流波形與電感電流一致，數(shù)量上縮小N2/N1，因此MOS管通過(guò)的最大電流有效值為：根據(jù)MOS管工作波形，承受的最大電壓為：MOS管選擇參數(shù)：額定電流1A以上，額定電壓500V以上。2.6正激式變換器（6）磁通復(fù)位繞組N3續(xù)流二極管VD3參數(shù)計(jì)算由于N1=N3，VD3續(xù)流電流為變壓器的勵(lì)磁電流，勵(lì)磁電流的詳細(xì)計(jì)算需要先確定磁芯，一般可以粗略考慮復(fù)位繞組的額定電流（VD3的額定電流）為主繞組額定電流（MOS管額定電流）的10%～30%。因此，VD3額定電流為：二極管承受的最大電壓與MOS管相同，為：300V。VD3選擇參數(shù)：額定電流0.2A以上，額定電壓500V以上。2.6正激式變換器■反激變換電路基本結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理分析2.7反激式變換器■電感電流連續(xù)模式（CCM）工作波形分析晶體管導(dǎo)通狀態(tài)（0tt1=DT）

VT導(dǎo)通，副邊感應(yīng)電勢(shì)導(dǎo)致VD1截止，電感L1充電儲(chǔ)能，有：2.7反激式變換器晶體管關(guān)斷狀態(tài)（t1

t

t2＝T）

VT關(guān)斷，繞組N1中的勵(lì)磁電流轉(zhuǎn)移到繞組N2中續(xù)流，VD1導(dǎo)通，電感L1轉(zhuǎn)移能量到副邊繞組N2中，有：L2釋放能量，電流流過(guò)VD1并線性下降，有

2.7反激式變換器2.7反激式變換器N1I11/N2■電感電流連續(xù)模式（CCM）下工作參數(shù)分析