第 3 章 DC/DC 变换电路

第 3章 DC/DC 变换电路

3.2 　基本的直流斩波电路

3.3 　复合斩波电路 3.4 变压器隔离的直流—直流变换

器

3.1 　直流 PWM 控制技术基础

返回


直流变换—将直流电能 (DC) 转换成另一固定电压或电压可调的直流电能。

基本的直流变换电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、库克变换电路

重点：电路结构、工作原理及主要数量关系


直流变换—将直流电能 (DC) 转换成另一固定电压或电压可调的直流电能。

直流变换电路—完成直流变换的电路。

直流变换器—实现直流变换的装置。

3.1 　直流 PWM 控制技术基础

3.1.1 直流变换的基本原理及 PWM 概念

直流变换问题的提出

直流调速：需要可变的直流电压

直流供电电压一定，而负载需要不同电压

直流升压：太阳能电池输出电压较低，需要变换到较高电压再变换为直流

3.1 　直流 PWM 控制技术基础3.1.1 直流变换的基本原理及 PWM 概念

（ 1）开关管 T 导通时， R两端电压 uo=

US

开关管仅两种工作状态：导通与断开

开关管 IGBT 导通条件： UG>0

基本的直流变换电路

io

US

iS

uoR

T

开关管 T 导通等效电路

io

US

iS

uo

R

T

3.1 　直流 PWM 控制技术基础3.1.1 直流变换的基本原理及 PWM 概念

（ 2）开关管 T 断开时， R两端电压 uo=

0

开关管仅两种工作状态：接通与断开

开关管 IGBT 断开控制： UG=0


io

US

iS

uoR

T

开关管 T 断开等效电路

io

US

iS

uo

R

T


R 两端平均电压：

Ss

ono U

T

tU

控制一周期中导通时间比例可控制输出平均电压

开关管 IGBT 控制电压

R两端电压波形


io

US

iS

uoR

T


定义上述电路中导通占空比 D 为 :

offon

on

s

on

tt

t

T

tD

通过控制占空比控制输出电压

R 两端平均电压：

Ss

ono U

T

tU SDU

导通占空比占空比导通比

改变占空比 D 有三种基本方法：


①脉冲频率调制 (PFM)

维持 ton不变，改变TS。改变 TS就改变了输出电压周期或频率。

tonTS1u

tton

TS2

u

t2

211 D

T

t

T

tD

s

on

s

on



② 脉冲宽度调制 (PWM)维持 TS 不变，改变 to

n

在这种方式中，输出电压波形的周期不变，仅改变脉冲宽度。

有利于滤波器的设计

ton1TSu

tton2

TS

u

t



③ 混合脉冲宽度调制

脉冲周期 TS 与宽度 to

n 均改变。

广义的脉冲宽度调制技术包含上述三种控制方式

ton1TSu

t

ton2

TS2

u

t

1 ．面积等效原理—— PWM 应用的理论基础

　自动控制理论冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

3.1.2 PWM 技术基础

e(t)

t

(t)

e(t)

t

5

0.2

e(t)

t0.2

10

e(t)

t0.1

20

冲量 = 窄脉冲面积

实验电路

RLe(t)

i(t)

冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

i(t)=?冲量 =1

e(t)

t5

0.2

e(t)

t

(t)

e(t)

t0.2

10

e(t)

t0.1

20

(a) (b) (c) (d)

(d) (c)

(b)

(a)

1 ．面积等效原理

比较 RL 电路对冲量相同而形状不同窄脉冲的响应波形可知，输出波形大致相同进一步说 , 响应波形的低频成份基本相同。

上述原理可以称为面积等效原理。根据该原理，将平均值为 up 的一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲加到包含惯性环节的负载上，将与施加幅值为 up 的恒定直流电压所得结果基本相同，这样一来就可用一列脉冲波形代替直流波形。

　　除了直流波形可用 PWM 波形来代替外，根据面积等效原理可以进一步推出，可以在一段时间内按一定规则生成 PWM 波形来代替所需的任何波形

1 ．面积等效原理

如用正弦脉冲宽度调制波形来代替正弦波SPWM

2 ．直流 PWM 波形的生成方法生成 PWM 波形有多种方法，常见有计算法、调制法等。

计算法是在每个时间段，利用计算机技术直接计算出当前所需要的脉冲宽度，进而据此对电力电子器件进行开关控制而获得 PWM 波形。

调制法是利用高频载波信号与期望信号相比较来确定各脉冲宽度信息进而生成 PWM 波形。

调制法生成 PWM 波形典型框图：

返回

2 ．直流 PWM 波形的生成方法

u*R: 调制信号uC: 载波信号

载波信号频率远大于调制信号频率

3.2 　基本的直流变换电路

3.2.1 降压斩波电路

3.2.2 升压斩波电路

3.2.3 升降压斩波电路

3.2.4 库克变换电路

返回

3.2 　基本的直流变换电路

基本的直流变换电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、库克变换电路

介绍内容： 1 、电路结构2 、工作原理3 、主要波形4 、基本数量关系

3.2 　基本的直流斩波电路 3.2.1 降压变换电路

降压变换电路输出电压的平均值低于输入直流电压，又称为 Buck 型变换器。

? D 、 L 、 C 作用

降压变换电路 IGBT 实现

US

iS iL

uo

io

R

L

C

T

DUS

iS iL

uo

io

R

L

C

S

D

降压变换电路结构

3.2.1 降压变换电路1 降压变换电路工作原理

（ 1 ） T 导通情形

电感电压 uL=US– uo ，在该电压的作用下，电感电流 iL 线性增长，电感储能增加

电源能量向电感、负载传递

US

iS iL

uo

io

R

L

C

T

D

T 导通等效电路

US

iS iL

uo

io

R

L

C

T

D


（ 2 ） T 断开情形 - 电流连续

电感电压 uL= – uo ，在该电压的作用下，电感电流 iL 线性下降，电感储能减少

电感储能向电容、负载转移

US

iS iL

uo

io

R

L

C

T

D

T 断开等效电路（ iL>0)

DUS

iSiL

uo

io

R

L

C

T


（ 2 ） T 断开情形 - 电流断续电感电压 uL= 0 ，电容向负载供电电容储能向负载转移

T 一周期中导通时间愈长，向电感转移的能量愈多，向负载转移的能量也愈多，即输出电压愈高

控制开关管导通占空比可控制输出电压

US

iS iL

uo

io

R

L

C

T

D

T 断开等效电路（ iL=0)

iL

DUS

iS

uo

io

R

L

C

T

3.2.1 降压变换电路

1 降压变换电路工作原理

输出电压在 0~ 电源电压之间可调—降压变换电路

特殊情形： T 常断开

特殊情形： T 常导通

US

iS iL

uo

io

R

L

C

T

D

稳态：电感电压 uL= 0 负载电压 u0=0稳态：电感电压 uL= 0 负载电压 u0=US

2 主要波形分析

3.2.1 降压变换电路

理论基础——电路理论基本方法——分段线性分析（重点是根据开关情况确定等效电路）

假设条件：1 、器件是理想的（不考虑开关时间、导通压降等）

2 、输出滤波电容较大，输出电压基本平直

2 主要波形—电感电流连续情形

电感电流连续情形： iL>0

降压电路T 导通等效电路

uG>0

T 断开等效电路

uG=0


数学模型 :

R

ui

dt

duCi

uUdt

diLu

CL

CC

CSL

L

初值条件 ?

假设 uC=Uo = 常数 iL 线性增加

uG

t

uL

Cs uU t

iL

iMim t

iC

t


+uo

-

+ uL - T 导通波形


数学模型 :

R

ui

dt

duCi

udt

diLu

CL

CC

CL

L

初值条件 ?

假设 uC= Uo = 常数 iL 线性减少

toff

Cu

iL

uG

t

ton

uL

CS uU t

iC

t

im tiM

T 断开等效电路

+uo

-

+ uL -主要波形

3 主要数量关系—电感电流连续情形

(1) 平均输出电压Uo(2) 平均输出电流 I

o

表现系统主要性能指标的量：

(3) 电感电流纹波 IL

(4) 负载电压纹波 UO

主要器件承受的电压、电流等量可根据波形确定


uL

uG

CS uU

iL

iC

im

t

t

t

t

Cu

tontoff

iM

(1) 平均输出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。

0*)(*)( offConCS tutuU

或： 0*)(*)( offoonoS tUtUU

SSS

ono DUU

T

tU

uL

uG


CS uU

iL

iC

im

t

t

t

t

Cu

tontoff

iM

(2) 输出平均电流 Io

R

UD

R

UI SO

o

IO


OSCSL

L UUuUdt

diLu

onOS t

L

UU mML iiI

onStUL

D

1

uL

uG


CS uU

iL

iC

im

t

t

t

t

Cu

tontoff

iMIO

(4) 电感电流极值 iM 、 im

?稳态情况下，电容上一周期中的平均电流为零。

电流连续时 : 22MmM

O

iiiI

电感平均电流= 负载平均电流

2

2

LOm

LOM

IIi

IIi


(5) 电容电压纹波 uC

uG

iL

im

t

t

tontoff

iMIO

iC

t

uC

t

uC

UO

R

Ui

R

ui

dt

duCi O

LC

LC

C

2/

2/

)(1 offon

on

tt

t

OLCmCMC dtIiC

UUu

2*

2*

2

1*

1 LsC

IT

Cu

3 主要数量关系—电感电流连续情形（ 5）电容电压纹波 uC

2*

2*

2

1*

1 LsC

IT

Cu

onSs tU

L

DT

C 2

)1(*

2*

2

1*

1

onSS tTULC

D

8

)1(

Son

offonS

DTt

ttT

注意：

2

8

)1(SSTU

LC

DD

onSL tUL

DI

1

结论：

1 ：增加 LC, 电压纹波减少

2 ：开关频率高，电压纹波小

3 ： D=0.5 ，电压纹波达到峰值

3 主要数量关系—电感电流连续情形5 、电容电压纹波 uC

2

8

)1(SSC TU

LC

DDu

记：

开关频率电路TT

fS

1

LCfC 2

1 截止频率

滤波电路22

2

)1(

f

fU

DDu C

SC

纹波系数：

O

C

C

C

U

u

U

u

22

2

)1(

f

fD C电压纹波系数很小

时,ffC

4 主要波形—电感电流断续情形

电感电流断续情形：在一段时间内 iL=0

降压电路

T 导通等效电路uG>0

T 断开、 D 续流等效电路

uG=0

uG=0

T 断开、 D 断开等效电路


数学模型 :

R

ui

dt

duCi

uUdt

diLu

CL

CC

CSL

L

初值条件

假设 uC=Uo = 常数 iL 线性增加

uG

t

uL

CS uU t

iL

iM

t

iC

t


+uo

-

+ uL -


数学模型 :

R

ui

dt

duCi

udt

diLu

CL

CC

CL

L

初值条件

假设 uC= Uo = 常数 iL 线性减少

t

t

t

t

uL

uG

CS uU

iL

iC

tontoff

iM

Cu

tcon

T 断开、 D 续流等效电路

+uo

-

+ uL -


数学模型 :

R

u

dt

duCi

dt

diLu

CCC

LL

0

初值条件

uC= Uo = 常数 iC 维持不变

CS uU

uL

uG

iL

iC

t

t

t

t

Cu

tontoff

tcon

iM

T 断开、 D 断开等效电路

+uo

-

5 主要数量关系—电感电流断续情形（ 1）平均输出电压 U

o稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。

0*)(*)( conConCS tutuU

或： 0*)(*)( conoonoS tUtUU

Sconon

ono U

tt

tU

uL

uG

CS uU

iL

iC

t

t

t

t

Cu

tontoff

iM

tcon

注意： tcon 与电路参数、 ton 有关

5 主要数量关系—电感电流断续情形

（ 1）平均输出电压 U

oS

conon

ono U

tt

tU

uL

uG

CS uU

iL

iC

t

t

t

t

Cu

tontoff

iM

tcon

So UDD

DU

21

1

S

on

T

tD 1

S

con

T

tD 2

记

电压变换比：21

1

DD

D

U

U

S

o

5 主要数量关系—电感电流断续情形(2) 输出平均电流 Io

R

UI O

o


OSCSL

L UUuUdt

diLu

onOS t

L

UU ML iI

uL

uG

CS uU

iL

iC

t

t

t

t

Cu

tontoff

iM

tcon

IO

电流断续时 : 2M

o

iI

5 主要数量关系—电感电流断续情形

uL

uG

CS uU

iL

uC

t

t

t

t

Cu

tontoff

iM

tcon


OLC

LC

C IiR

ui

dt

duCi

2

1

)(1

t

t

OLCmCMC dtIiC

UUu

M

oMsoMC i

IiTDDIi

Cu

)(*)(*

2

1*

121

IO

Cu

t

t2t1

注意：

SM

oM TDDi

Iitt )( 2112

5 主要数量关系—电感电流断续情形(4) 电容电压纹波 uC

M

oMsoMC i

IiTDDIi

Cu

)(*)(*

2

1*

121

22

2

1 )(***2

1

R

LTD

L

U

D

D

Cu S

SC

SS

onOS

M TDL

U

DD

Dt

L

UUi 1

21

2 *

R

U

DD

DTD

L

U

DD

DIi S

SS

OM21

11

21

2 *

注意：

= ？

5 主要数量关系—电感电流断续情形D2 与系统参数关系

uL

uG

CS uU

iL

iC

t

t

t

t

Cu

tontoff

iM

tconR

UI O

o onOS

M tL

UUi

电感平均电流 =负载平均电流

SoS

S

cononML TDDD

L

UU

T

ttiI 121 )(

2*

2

电感平均电流 IL:

R

UTDDD

L

UU OS

oS

121 )(2

211

1

DD

kD

D

U

U

S

o

电压变换比

5 主要数量关系—电感电流断续情形D2 与系统参数关系

211

1

DD

kD

D

U

U

S

o

电压变换比

21

1

DD

D

U

U

S

o

注意到：

212 DD

kD

SRT

Lk

2

注意

2

4211

2

kDDD

21

211

1

21

1

/411

2

4

2

DkkDD

D

DD

D

U

U

S

o

最后有：

(5) 电感电流临界连续条件电流临界连续 : 电感电流仅瞬间为零

uL

uG

CS uU

iL

uC

t

t

t

t

Cu

tontoff

iM

tcon

IO

Cu

t

t2t1

R

UI O

o onOS

M tL

UUi

电流临界连续时 : 2M

o

iI

onOSO

o tL

UU

R

UI

2

SSSS DT

L

DUU

R

DU

2

STR

LD

21 电流临界连续时 :

（ 5 ）电感电流临界连续条件

STR

LD

21 电流临界连续时 :

电感电流连续条件 :STR

LD

21

电感电流临界连续条件 :STR

LD

21

电感电流断续条件 :STR

LD

21

降压变换电路小结

优点1 、电路简单2 、控制特性好3 、负载侧电流波动小

缺点1 、电源侧电流波动大2 、只能降压、不能生压

返回

3.2.2 升压变换电路 —— Boost电路1 升压变换电路结构与工作原理

工作原理 :T 导通时 , uL=US , 电感电流线性增加 ,电感储能增加 ,电源向电感转移电能。T 断开时 , uL=US - uC, 电感电流减少 ,电感储能减少 , 电感储能向负载转移电能。

升压变换电路结构升压变换电路 IGBT实现

返回

3.2.2 升压变换电路 —— Boost电路1 升压变换电路结构与工作原理

工作原理 :

稳态情况下 ,T断开时 , 电感电流减少 ,

uL=US - uC <0

uC =US - uL > US

升压变换电路

升压变换电路 IGBT实现

2 波形分析

假设条件：1 、器件是理想的（不考虑开关时间、导通压降等）2 、输出滤波电容较大，输出电压基本平直

. 电感电流连续

. 电感电流断续

两种情形 :

升压变换电路 IGBT实现

2 波形分析 -电感电流连续情形

等效电路 : 根据开关器件的通断状况来确定

IGBT器件的通断由其栅极控制信号决定

升压变换电路

T断开等效电路

UG=0T导通等效电路

UG>0


iL

im t

uL

SU tCS uU

uG

t

tontoff

iM

iC

t

升压变换电路

T导通等效电路

T断开等效电路

2 波形分析 -电感电流断续情形

升压变换电路 T断开 \D 续流等效电路

UG=0

T断开 \D 断开等效电路

UG=0

T导通等效电路

UG>0


uL

SU t

iL

t

uG

t

tontoff

iM

iC

t

CS uU

tconT导通等效电路

T断开 \D 续流等效电路

T断开 \D 断开等效电路

3 主要数量关系 -电感电流连续情形


0*)(*)( offCSonS tuUtU

或： 0*)(*)( offoSonS tUUtU

SSoff

So U

DU

t

TU

1

1

uL

uG

SU

iL

iC

im

t

t

t

t

CS uU

tontoff

iM

TS升压变换电路


(2) 平均输出电流 I

oR

U

DR

UI SO

o

1

1


SL

L Udt

diLu

onS t

L

UmML iiI

升压变换电路 uL

uG

SU

iL

iC

im

t

t

t

t

CS uU

tontoff

iM

TS



升压变换电路 uL

uG

SU

iL

iC

im

t

t

t

t

CS uU

tontoff

iM

TS

考虑 Io≦im 情形 :

Io

ont

OC dtIC

u0

)(1

onotIC

1

SS

C DTD

U

CRu

1

1

3 主要数量关系 -电感电流断续情形(1) 平均输出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。

0*)(*)( conCSonS tuUtU

或： 0*)(*)( conoSonS tUUtU

SScon

conono U

D

DDU

t

ttU

2

21

S

con

S

on

T

tD

T

tDD

2

1注 :

uL

SU t

iL

t

uG

t

tontoff

iM

iC

t

CS uU

tcon

3 主要数量关系 -电感电流断续情形(2) 平均输出电流 I

o

R

U

D

DD

R

UI SO

o2

21


SL

L Udt

diLu

onS t

L

UML iI

uL

SU t

iL

t

uG

t

tontoff

iM

iC

t

CS uU

tcon

电感电流平均值 I L

)(*2 21 DD

iI M

L

输出电流 Io 22D

iI M

o

3 主要数量关系 -电感电流断续情形

uL

SU t

iL

t

uG

t

tontoff

iM

iC

t

CS uU

tcon

D2 与系统参数的关系S

SML TDDD

L

UDD

iI )(

2)(*

2 21121

输入功率 = 输出功率，有：

R

UIUIU o

OOLS

2

2

2

21211

2 1)(

2

SS

S UD

DD

RTDDD

L

U

2

/411 21

12

kD

D

kD

其中：SRT

Lk

2

3 主要数量关系 -电感电流断续情形(4) 电容电压纹波 uC

uL

SU t

iL

t

uG

t

tontoff

iM

iC

t

CS uU

tcon

Io

won

on

tt

t

OLC dtIiC

u )(1

wt

)(2

11oMwC Iit

Cu

注意 :on

SM t

L

Ui 22

Di

I Mo

sM

oMw TD

i

Iit 2

SSC UTDDDLC

u **)2/1(2

1 22221

3 主要数量关系

uL

uG

SU

iL

iD

t

t

t

t

CS uU

tontoff

iM

(5) 电感电流临界连续条件

R

UI O

o onS

M tL

Ui

电流临界连续时 : )1(2

Di

I Mo

)1(2

DtL

U

R

UI on

SOo

SSS TDDL

U

RD

U)1(

2)1(

STR

LDD

2)1( 2 电流临界连续时 :

电感电流仅瞬间为零

3 主要数量关系(5) 电感电流临界连续条件

STR

LDD


电流连续时 : )1(2

Dii

I mMo

)1(2

Di

I Mo

电流连续条件 :STR

LDD

2)1( 2

电流断续条件 :STR

LDD

2)1( 2

升压变换电路小结

优点

1 、电路简单

2 、电源侧电流波动小

缺点1 、负载侧电流波动大2 、只能升压、不能降压

升压变换电路不宜在输出端开路情况下工作 !

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3.2.3 升降压变换电路 —— Buck-boost 电路 1 升降压变换电路结构与工作原理

T导通时 , uL=US , 电感电流线性增加 ,电感储能增加 ,电源向电感转移电能。T断开时 , uL= - uC, 电感电流减少 ,电感储能减少 , 电感储能向负载转移电能。

工作原理 : 控制 T通断来控制电源向负载转移电能

升降压变换电路结构升降压变换电路 IGBT 实现

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3.2.3 升降压变换电路 —— Buck-boost电路 1 升降压变换电路结构与工作原理

工作原理 :特殊情况 : T长期断开时 ,输出电压 uO=0 。T导通时间较长时 ,电感电流将趋于无限大 ,此时断开 T,将有无穷大能量转移到负载 ,输出电压 uO也将趋于无限大。

升降压变换电路

升降压变换电路结构升降压变换电路 IGBT 实现

2 波形分析

. 电感电流连续

. 电感电流断续

两种情形 :

假设条件：1 、器件是理想的（不考虑开关时间、导通压降等）

2 、输出滤波电容较大，输出电压基本平直




T断开、 D 续流等效电路

UG=0

T导通等效电路

UG>0

电感电流连续 iL>0


uL

SU t

uG

t

tontoff

iC

t

iM

iL

tim

-uC


T导通等效电路



升降压变换电路 T断开、 D 续流等效电路

UG=0

T导通等效电路

UG>0

电感电流断续 :存在 iL=0 时间段

T断开、 D 断开等效电路

UG=0


uL

SU t

iL

t

uG

t

ton

iC

t

iM

toff

-uC

tcon


T导通等效电路



升降压变换电路 uL

uG

SU

iL

iC

t

t

t

t

tontoff

iMim

-uC


0*)(*)( offConS tutU

或： 0*)(*)( offoonS tUtU

SSoff

ono U

D

DU

t

tU

1



uG

SU

iL

iC

t

t

t

t

tontoff

iMim

-uC

(2) 平均输出电流 I

oR

U

D

D

R

UI SO

o

1


SL

L Udt

diLu

onS t

L

UmML iiI

T 导通期间：



uG

SU

iL

iC

t

t

t

t

tontoff

iMim

-uC


考虑 Io≦im 情形 :

ont

OC dtIC

u0

)(1

onotIC

1

SS

C TDD

U

RCu 2

1

1

Io

R

UI O

o


升降压变换电路(1) 平均输出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。

0*)(*)( conConS tutU

或： 0*)(*)( conoonS tUtU

SScon

ono U

D

DU

t

tU

2

1

uL

uG

SU

iL

iC

t

t

t

t

tontoff

iM

-uC

tcon


升降压变换电路(2) 平均输出电流 I

oR

U

D

D

R

UI SO

o2

1


onS t

L

UML iI

SL

L Udt

diLu

T 导通期间：

uL

uG

SU

iL

iC

t

t

t

t

tontoff

iM

-uC

tcon

3 主要数量关系 -电感电流断续情形(4) 电容电压纹波 uC

|Io|

uL

uG

SU

iL

iC

t

t

t

t

tontoff

iM

-uC

tcon

won

on

tt

t

OLC dtIiC

u )(1

)(2

11oMwC Iit

Cu

注意 :on

SM t

L

Ui 22

Di

I Mo

sM

oMw TD

i

Iit 2

SSC UTDDDLC

u **)2/1(2

1 22221

tw

3 主要数量关系(5) 电流临界连续条件

uL

uG

SU

iL

iD

t

t

t

t

Cu

tontoff

iM

R

UI O

o onS

M tL

Ui

电流临界连续时 : )1(2

Di

I Mo

)1(2

DtL

U

R

UI on

SOo

SSS TDDL

U

RD

DU)1(

2)1(

STR

LD


电感电流仅瞬间为零

3 主要数量关系(5) 电流临界连续条件

电流连续时 : )1(2

Dii

I mMo

电流连续条件 :STR

LD

2)1( 2

)1(2

Di

I Mo

uL

uG

SU

iL

iC

t

t

t

t

tontoff

iMim

-uC

STR

LD


电流断续条件 :STR

LD

2)1( 2

升降压变换电路小结

优点

1 、电路简单

2 、既能升压、也能降压

缺点1 、电源侧、负载侧电流波动大

D2 与电路参数关系请自行推导返回


优点 : 降压、负载电流波动小缺点：不能升压、电源电流波动大

优点 : 升压、电源电流波动小缺点：不能降压、负载电流波动大

优点 : 能升压、降压缺点：负载电流、电源电流波动大


降压变换电路

升压变换电路

返回


期望电路：能同时实现升压、降压能同时使电源电流、负载电流波动小

库克变换电路


1 工作原理 :

T导通时 , uL=US , 电感电流线性增加 ,电感储能增加 ,电源向电感转移电能。同时电容 C1 上储能向负载转移。

T断开时 , 电感电流减少 ,电感储能减少 , 电感储能向 C1 、负载转移电能。

控制 T通断来控制电源向负载转移电能


1 工作原理 :

特殊情况 : T长期断开时 ,输出电压 uO=0 。

T导通时间较长时 ,电感电流将趋于无限大 ,此时断开 T,将有无穷大能量转移到负载 ,输出电压 uO也将趋于无限大。


控制 T通断来控制电源向负载转移电能

2 波形分析

. 电感 L2 电流连续

. 电感 L2 电流断续

两种情形 :

假设条件：

1 、器件是理想的（不考虑开关时间、导通压降等）2 、滤波电容较大，输出电压基本平直

库克变换电路


库克变换电路

T导通、 D 断开等效电路

UG>0


UG=0

2 波形分析 - 电感电流连续情形

uL1

SU t

uG

t

tontoff

iL1

tiM1im1

uL2

OC uu 1 t

US-uC1

-uO

iL2

t

库克变换电路




库克变换电路 T断开、 D 续流等效电路

UG=0


UG=0


UG>0


uL1

SU t

uG

t

tontoff

t

iL1

iM1

uL2

OC Uu 1 t-uO

US-uC1

iL2

t

tconT导通、 D 断开等效电路




uL1

SU t

uG

t

tontoff

iL1

tiM1

uL2

OC uu 1 t-uO

iL2

t

US-uC1

tconT导通、 D 断开等效电路




库克变换电路(1) 平均输出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。

0*)(*)( 1 offCSonS tUUtU

0*)(*)( 1 offoonoC tUtUU

SSoff

ono U

D

DU

t

tU

1

uL1

uG

SU

iL1

iL2

t

t

t

t

tontoff

iM1im1

US-uC1

uL2

OC uu 1 t-uO


库克变换电路

SoC UUU 1

SC UD

U

1

11

(1) 平均输出电压Uo

SSoff

ono U

D

DU

t

tU

1

C1 平均电压满足 :

稳态时 C1电压高于电源电压


库克变换电路

(3) 电感电流纹波 iL

SL

L Udt

diLu 2

22

onS t

L

U

2

222 mML iiI

uL1

uG

SU

iL1

iL2

t

t

t

t

tontoff

iM1im1

-uO

uL2

SU t-uO

IO

(2) 输出平均电流 IO

R

U

D

D

R

UI SO

o

1


库克变换电路(4) 输出电压纹波 u

O

uL1

uG

SU

iL1

iL2

t

t

t

t

tontoff

iM1im1

-uO

uL2

SU t-uO

IO

R

Ui

R

ui

dt

duCi O

LC

LC

C 22

22

22

2/

2/

22

2 )(1 offon

on

tt

t

OLCO dtIiC

uu

2*

2*

2

1*

12

2

LsO

IT

Cu

SS UCL

DT

22

2

8


库克变换电路(1) 输出平均电压 UO

uL1

uG

SU

iL1

iL2

t

t

t

t

tontoff

iM1

US-uC1

uL2

OC Uu 1 t-uO

tcon

稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。

0*)(*)( 1 conCSonS tUUtU

0*)(*)( 1 conoonoC tUtUU

SScon

ono U

D

DU

t

tU

2

1


(2) 电流临界连续条件

因输入输出功率平衡，有：

R

UIUIU O

OOLS

2

1

uL1

uG

SU

iL1

iL2

t

t

t

t

tontoff

iM1

US-uC1

uL2

OC uu 1 t-uO

im1

im2

iM2

电流临界连续时 :im1=-im2

库克变换电路

3 主要数量关系 -电感电流断续情形(2) 电流临界连续条件

uL1

uG

SU

iL1

iL2

t

t

t

t

tontoff

iM1

US-uC1

uL2

OC uu 1 t-uO

im1

im2

iM2

211

1Mm

L

iiI

因为：

onS

mM tL

Uii

111 So U

D

DU

1

RUD

Dt

L

UiU Son

SmS /)

1()

2( 2

11

SonS

m URD

Dt

L

Ui

2

2

11 )1(2

因输入输出功率平衡，有：

R

UIUIU O

OOLS

2

1


uL1

uG

SU

iL1

iL2

t

t

t

t

tontoff

iM1

US-uC1

uL2

OC uu 1 t-uO

im1

im2

iM2

又： onS

mM tL

Uii

222

SO

o URD

D

R

UI

)1(

R

Uii OMm 2

22

SonS

m URD

Dt

L

Ui

)1(2 22

因 Io=L2 平均电流，有：

222 Mm

o

iiI


电流临界连续时： im1=-im2

)(

21

21

21

LLRT

LLD

S 电流临界

连续条件

)1

1(1

)11

(2 21 D

D

R

U

D

D

LLt

U Son

S

#1 、 #2

两式相加

SonS

m URD

Dt

L

Ui

2

2

11 )1(2

（ #1 ）

SonS

m URD

Dt

L

Ui

)1(2 22

（ #2 ）


(2) 电流临界连续条件

)(

21

21

21

LLRT

LLD

S

电流临界连续条件：

电流连续条件 :

)(

21

21

21

LLRT

LLD

S

电流断续条件 :

)(

21

21

21

LLRT

LLD

S

库克变换电路

库克变换电路小结

库克变换电路优点

1 、既能升压、也能降压2 、电源侧、负载侧电流波动小

缺点1 、电路稍复杂（多用一电感、一电容）2 、电容 C2充放电电流波动大

返回

3.3.1 多相多重斩波电路　　把几个结构相同的基本斩波器适当组合，可以构成复合型斩波电路

3.3 　复合斩波电路

多相多重斩波电路返回

3.3.1 多相多重斩波电路

多相多重斩波电路

如果在一个周期 TS 中，电源侧电流 iS 脉动 n次，则称为 n 相斩波器。

假设复合型斩波器中每个开关管通断周期都是 TS

如果在一个周期 TS 中，负载电流 io 脉动m次，则称为m重斩波器。


多相多重斩波电路

３个开关器件 T1 、 T2 、 T3依序通、断各一次，它们导通时间的起点相差 TS /3 ，３个开关管导通时间 ton 相同，占空比 D相同 .

控制方案 :


T1 、 D1 构成一个降压斩波器，只要 T1截止时， i1 不断流，即电感电流连续，则 T1 输出电压 u1 的直流平均值 U1 是 U1= US ton /Ts=DUS 。

u1

同理， T2 、 T3 输出直流平均值 U2= U3= U1=DUS 。


u1

输出电压 uo 的直流平均值 : Uo=U1= U2= U3=DUS

输出电流 Io:

321 333 IIIIo 返回

3210 iiii

3.4 变压器隔离的直流—直流变换器 3.4.1 正激变换器

如果将变压器插入在 P-P’位置，即得正激变换器主电路。

降压变换电路

正激变换器

问题 :电源与负载不隔离

?

返回

能量消耗法磁场复位方案

　　开关管导通时，　　　　　，电源能量经变压器传递到负载侧。开关管截止时变压器原边电流经 D3 、 DW 续流，磁场能量主要消耗在稳压管 DW 上。开关管承受的最高电压为 VS＋VDW ， VDW 为稳压管 DW 的稳压值。

SVN

NV

1

22

正激变换器

能量转移法磁场复位方案

　　开关管导通时，电源能量经变压器传递到负载侧。开关管截止时，由于电感电流不能突变，线圈N1会产生下正上负的感应电势 e1 。

同时线圈N3也会产生感应电势　　　　　　，

当 e3= VS 时， D3 导通。磁场储能转移到电源

VS 中，开关管上承受的最高电压为：

11

33 e

N

Ne

SSS VN

NNV

N

NV )(

3

13

3

1

D3

正激变换器

3.4.2 反激变换器

反激变换器电路原理图

　　和升降压变换器相比较可知，反激变换器用变压器代替了升降压变换器中的储能电感。因此，这里的变压器除了起输入电隔离作用外，还起储能电感的作用。

改进？

3.4.2 反激变换器反激变换器实用电路

负载侧有滤波电感 , 可降低输出电压纹波 .

返回

反激变换器 :IGBT 关断时磁场储能转移到负载侧 .反激变换器优点 : 转移到负载侧的能量由原边电压、等效电感、 IGBT 开通时间决定，与负载无关。很适合于高压小功率变换电路。

Documents

第 3 章 DC/DC 变换电路