华中科技大学电力电子学幻灯片——直流-直流变换器

电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）第3 章直流/直流变换器3 直流/直流变换器3.1 直流/直流降压变换器（Buck DC/DC 变换器）3.2 直流/直流升压变换器（Boost DC/DC 变换器）3.3 直流升压－降压变换器（Boost-Buck变换器或Cuk变换器）*3.4 两象限、四象限直流/直流变换器*3.5 多相、多重直流/直流变换器3.6 带隔离变压器的直流/直流变换器小结3.1 直流/直流降压变换器（Buck DC/DC 变换器）3.1.1 电路结构和降压原理3.1.2 电感电流连续时工作特性3.1.3 电感电流断流时工作特性如何实现降压变换？R LsV V i ROO SV CER R LgI V i OO SV R LgI TO V i OORiV +TEG Dii gV i oi CCi buck 电路图-+-L Li lv EOv Co oV O3.1.1 电路结构和降压原理1.理想的电力电子变换器2.降压原理3.控制方式4.输出电压LC滤波全控型开关管续流二极管LC输出滤波负载Buck变换器电路1. 理想的电力电子变换器为获得开关型变换器的基本工作特性，简化分析，假定的理想条件是：（1）开关管T 和二极管D 从导通变为阻断，或从阻断变为导通的过渡过程时间均为零；（2）开关器件的通态电阻为零，电压降为零。

断态电阻为无限大，漏电流为零；（3）电路中的电感和电容均为无损耗的理想储能元件；（4）线路阻抗为零。

电源输出到变换器的功率等于变换器的输出功率。

OO S S I V I V2. 降压原理对开关管T 加驱动信号V G ,开关周期为T SSSoffon S O DV V T T V V ===πθ2SL D SEO i i i V ===0υSon DT T =LD EO i i ==0υSon S off T D T T T )1(-=-=输出电压1)-(3 )cos()(10∑∞=+=n n EO t n a C t ωωυ2)-(3 22121)(2120s S S EO o O DV D V V t d v C V =====⎰ππθπωππ变压比为M3)-(3 2/πθ⋅===S S S O V DV MV V n 次谐波幅值4)-(3 )sin(2)2sin(2ππθπnD n V n n V a SS n ==5)-(3 )cos()sin(2)(1∑∞=⋅+=n SS EO t n nD n V DV t V ωππω输出电压的直流平均值将（3-2），（3-4）代入到（3-1）中3.控制方式改变开关管T的导通时间，即改变导通占空比D ，。

即可改变变压比M, 调节或控制输出电压VO(1) 脉冲宽度调制方式PWM (Pulse Width Modulation)开关频率不变，改变输出脉冲电压的宽度θ(2) 脉冲频率调制方式PFM（Pulse Frequency Modulation）脉宽θ不变，改变开关频率或周期。

Q：为什么实际应用中广泛采用PWM方式？全控型开关管续流二极管LC 输出滤波负载Buck 变换器电路4.输出电压LC 滤波滤波电感的作用：对交流高频电压电流呈高阻抗，对直流畅通无阻滤波电容的作用：对直流电流阻抗为无穷大，对交流电流阻抗很小。

Q ：如何选取LC ？直流输出电压中含有各次谐波电压，在Buck 开关电路的输出端与负载之间加接一个LC 滤波电路，减少负载上的谐波电压。

3.1.2 电感电流连续时工作特性Buck变换器有两种可能的运行工况：（1）电感电流连续模式CCM(Continuous Current Mode)：指电感电流在整个开关周期中都不为零；（2）电感电流断流模式DCM（Discontinuous Current Mode）：指在开关管T阻断期间内经二极管续流的电感电流已降为零。

二者的临界：称为电感电流临界连续状态：指开关管阻断期结束时，电感电流刚好降为零。

1.电流连续时只有两种开关状态6)-(3 O S L S V V dt di L dt di L -=⋅=⋅7)-(3 D Lf V V T D L V V T L V V i SO S S O S on O S L ⋅-=⋅⋅-=⋅-=∆+9)-(3 )1()1(D Lf V T D L V T L V i SO S O off O L -=-=⋅=∆-8)-(3 O S V dt di L -=⋅(2) 开关状态2：T 管阻断, D 管导通(1) 开关状态1：T 管导通,D 管阻断Q: 电流连续模式跟哪些因素有关?2. 变压比、导通比的定义Son T T D /=0/SM V V =son DT T =s off T D T )1(-=变压比与电路结构和导通比都有关系，它们之间的关系可用多种方法推导。

由此了解电力电子电路的分析方法导通比（占空比）：变压比：用波形积分的方法求变压比v EO 的直流分量V 0为:2022211s s on on T EO T sT S T S S on sSV v dt T V dtT V T T D V -===⋅=⋅⎰⎰周期性函数可以分解为无限项三角级数——傅立叶级数：[]∑∞=++=10)sin()cos()(n n n t n b t n a a t F ωωω⎰⎰⎰===ππωωπωωω202000)()(21)()(1)(1t d t F t d t F T dt t F T a T )()cos()(1)cos()(2200t d t n t F dt t n t F T a T n ωωωπωπ⎰⎰==)()sin()(1)sin()(2200t d t n t F dt t n t F T b T n ωωωπωπ⎰⎰==周期性函数可以分解为无限项三角级数——傅立叶级数：[]∑∞=++=10)sin()cos()(n n n t n b t n a a t F ωωωF(ωt)也可表达为：∑∞=++=10)cos()(n n n t n C C t F θωω⎰⎰===πωωπ20000)()(21)(1t d t F dt t F T a C T 22nn n b a C +=12sin()cos S EO S n S v DV nD n tn V T πω∞==+∑在实际应用中，由于电路开关通-断状态在时间上的对称性，使电压、电流波形具有某些特定的对称性，从而使计算变得简单。

物理上是指不存在某些电流或电压分量。

❑偶函数（奇函数）：正弦（余弦和常数）项系数为零；❑半波对称(镜对称) 函数（奇谐波函数）：偶次谐波为零；Q:什么是直流分量、基波、谐波、纹波?滤波器电抗对谐波的阻抗为：ωL 滤波器电容对谐波的阻抗为：1/ωC 如果：CL ωω1>>❑各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。

❑直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。

滤波在开关电路中，常常利用电路前一周期初始状态与后一周期初始状态相同这一条件来求电路的稳态运行表达式。

❑电感电流、电感磁链❑电容电压、电容电荷i L ⋅=ψVC Q ⋅=用开关电路的稳态条件求变压比电容C 在一个开关周期内的充、放电电荷为：f i T i Q L s L 82221∆=⋅∆⋅=∆20min 0max 008)1(LCfV D C Q V V V -=∆=-=∆输出电压波动量用电感电流表达式求变压比✓T 导通、D 截止✓T 截止、D 导通✓稳态时：00(1)L s S L s V i D T LV V i D T L-+∆=⋅-⋅-=∆=⋅⋅0SS V M DV V ==故有3.1.3 电感电流断流时工作特性1. 三种开关状态和变压比2. 临界负载电流3. BUCK变换器输出电压外特性升高使00V V EO ≠T T Son D M =>●第三种状态:T 、D 都截止。

●变压比 1.三种开关状态和变压比临界连续时：S V const =时08Kmi S I V Lf=2. 临界负载电流00012122(1)2(1)2L K L S S S S o I I I V V DT LV V D LfV D D LfV D Lf ==∆-=⋅-==-=-时const V =0Lf V I Kmo 200=3. Buck变换器输出电压外特性✓变换器的变压比（或输出电压）与占空比和负载电流的函数关系称为外特性。

✓电感电流连续时，变压比等于占空比，输出电压与负载电流无关。

控制特性是线性的。

✓在电感电流断流的情况下，变压比M为(3-21)式，控制特性是非线性的。

✓外特性从线形到非线形的转折点由临界负载电流确定。

设计图3.2(a)所示的Buck DC/DC变换器。

电源电压Vs=147～220V，额定负载电流11A，最小负载电流1.1A，开关频率20KHz。

要求输出电压Vo=110V；纹波小于1%。

要求最小负载时电感电流不断流。

计算输出滤波电感L和电容C，并选取开关管T和二极管D。

例3.13.2 直流-直流升压变换器（Boost变换器）3.2.1 电路结构和升压原理3.2.2 电感电流连续时工作特性3.2.3 电感电流断流时工作特性3.2.1 电路结构和升压原理3.2.2 电流连续时的工作特性1.两种开关状态2.变压比和电压、电流基本关系Son DT T VG>0, T 管导通,D 阻断Son S off T D T T T )1(-=-= VG=0, T 管阻断T T SonD ⋅=T D T Soff )1(-=L SLdi dt V ⋅=SL sVi D T L+∆=⋅⋅L S oL di dt V V ⋅=-0(1)SL sV V i D T L--∆=⋅-⋅0/1/(1)S M V V D ==- 理想Boost 变换器的变压比T 导通,D 截止T 阻断，D 导通T 导通,D 截止T 阻断，D 导通T SD T on =T SD T off )1(-=V Ton V D Ts⋅=⋅⋅电感的磁链增量为：0/1/(1)S M V V D ==-00()()(1)S S V V Toff V V D Ts-⋅=-⋅-⋅电感磁链的减小量为：tV dt di L dt d V ∆⋅=∆⋅==ψψ 理想Boost 变换器的变压比假定负载电流平均值为I O1/1O S L S I I I Vo V I D==⋅=-001T S DI I I I D=-=-✓输入电流和电感电流的电流平均值均为：✓通过二极管的电流I D 等于负载电流I O （电容的平均电流为零）✓通过开关管T 的电流平均值为：●工作电流的平均值表达式✓电感电流的脉动量为：00(1)(1)SL L L SS V I I I DT LV D DT D DV L Lf+-∆=∆=∆=--==max max max0012(1)12T D L S LI I I I i I D DV D Lf===+∆-=+-✓通过开关管T 和D 的电流最大值与电感电流的最大值相等：●工作电流的其他表达式00m in0m ax 0011I CfD DT I C Ton I C C Q V V V s =⋅⋅=⋅⋅=∆=-=∆✓输出电压脉动等于开关管T 导通期间电容C 的电压变化量，∆V0可近似地由下式确定●理想Boost 变换器输出电压纹波的大小理想Boost变换器开关器件所承受的最大电压T和D所承受的最大电压理想情况下均与输出电压相等。