直流直流变换电路精华

2.1 概述
1、直流—直流变换电路及功能 直流－直流（DC－DC）变换电路是将一组电参数的直
流电能变换为另一组电参数的直流电能的电路。 · 直流电幅值变换 · 直流电极性变换 · 直流电路阻抗变换 · 有源滤波
2.1 概述
2、变换电路的分类
（1）无变压器隔离： · 降压式变换电路（Buck电路） · 升压式变换电路（Boost电路 · 升降压式变换电路（Buck-Boost电路） · 库克电路（Cuk电路） · Sepic电路 · Zeta电路
2.2 降压式变换电路（Buck电路）
五、电感电流连续工作模式（CCM）下电感电流和输出电 压脉动分析
考虑到稳态工作时电感伏秒平衡的特点，电感充放电过程电流
波动值相等，依据前面的分析，晶体管导通时有：
I L
(U d
Uo) L
t1
U d (1 L
D)
DT
(1
D) DU d fL
考虑到输出电压脉动很小，有 iL iC，且有一周期内电容充 放电平衡，根据图4-2中ic波形，Q的时间为T/2，则电容纹波峰峰
uL
Ud
Uo
L
diL dt
uVT 0
由于电路工作频率很高，一个周期内ud 和 uo基本维持不
变，可以视为恒定值，则（ud- uo）为常数，电流变化为线性，
波形如图4-2，有：
uL
Ud
Uo
L
I2 I1 t
L
I L DT
I L
(U d
Uo) L
t1
iVT iL
iC
iL
io
iL
uo R
（io恒定，iC与iL同斜率）
通时 us (t) Ud ，晶体管关断时 us (t) 0，则us(t) 的直流分量为：
Uo
ton T
Ud
toff T
0
DUd
忽略电路工作产生的损耗，输入输出能量守恒，则有：
U d Iin U o Io
Iin DI o
其中：Iin为输入平均电流（直流电流），Io为输出直流电流，D为 占空比 ，Ud为输入直流电压，Uo 输出直流电压
2.2 降压式变换电路（Buck电路）
（2）电路工作频率很高，一个开关周期内电容充 放电引起的纹波uripple(t) 很小，相对于电容上
输出的直流电压Uo有： uripple max Uo 电容
上电压宏观上可以看作恒定。
电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大 的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关 电路稳态分析中的小纹波近似原理。
2.2 降压式变换电路（Buck电路）
（3）一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升 高，导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电 容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平 衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放电电荷 高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电 荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至 达到充放电平衡，最终维持电压不变。
2.2 降压式变换电路（Buck电路）
b、 二极管VD导通模式（t1 t t2=T ） 晶体管关断，电感续流，二极管导通，依据电路等效拓扑
有：
uL
uo
L
diL dt
uVT Ud
同样，由于uo视为维持不变，则输出电流线性减小，波形
如图4-2，有：
uo
L diL dt
L I L t2 t1
这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态 工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡， 这是电路稳态工作时的一个普遍规律。
2.2 降压式变换电路（Buck电路）
（4）开关S置于1位时，电感电流增加，电感储能；而当开关S 置于2位时，电感电流减小，电感释能。假定电流增加量大于 电流减小量，则一个开关周期内电感上磁链增量为：
开关关断时等效电路
2.2 降压式变换电路（Buck电路）
二、等效的电路模型及基本规律
1S
iL (t)
L
2
uL (t) iC (t)
Ud
us (t)
C
R uo (t)
（1）从电路可以看出，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤
波器设计 的原则是使 us(t)的直流分量可以通过，而抑制 us(t) 的谐波分量通过；电容上输出电压 uo(t)就是 us(t) 的 直流分量再附加微小纹波uripple(t) 。
这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。
2.2 降压式变换电路（Buck电路）
三、电感电流连续工作模式（CCM）下稳态工作过程分析
BUCK电路 结构
开
开
关
关
导
关
通
断
时
时
等
等
效
效
电
电
路
路
2.2 降压式变换电路（Buck电路）
a、 晶体管导通状态（t0 t t1=DT）
VD关断，依据等效电路拓扑，有：
Ψ L(i) 0
此增量将产生一个平均感应电势： u Ψ 0 T
此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的 下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零；一 个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。
这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量（磁链平 均增量）为零的现象称为：电感伏秒平衡。
iVT 0
I L
uo (t2 t1) L
iC
iL
io
iL
uo R
（io恒定，iC与iL同斜率）
2.2 降压式变换电路（Buck电路）
四、电感电流连续工作模式（CCM）下基本输入输出关系
从等效电路模型的分析可以知道，电容上输出电压uo(t)就是us(t)
的直流分量再附加微小纹波 uripple(t) ，且 uripple max U0 ，晶体管导
（2）变压器隔离： · 正激式变换电路 · 反激式变换电路 · 桥式隔离变换电路 · 推挽变换电路
2.1 概述
3、基本概念 （1）占空比的定义：
开关接通的占空比定义为D，D ton / TS 其中ton 为开关导通时间，TS为开关周期。 （2）脉冲宽度调制（PWM）或脉冲频率调制（PFM） ❖ 所谓脉冲宽度调制的方法是一种在整个工作过程中，开关 频率不变，而开关接通的时间按照要求变化的方法。 ❖ 所谓脉冲频率调制的方法是一种在整个工作过程中，开关 接通的时间不变，而开关频率按照要求变化的方法。
2.2 降压式变换电路（Buck电路）
一、BUCK电t) L
uL (t)
iC (t)
Ud
C
R uo (t)
开关导通时等效电路
iL (t) L
uL (t)
iD (t)
C
R uo (t)
基本电路结构
L
uL (t)
Ud
iL (t)
C
iC (t)
R uo (t)