第2章 基本DC-DC变换器

现代电源技术Modernpowertechnologies第2章DC－DC变换器12345复合型DC－DC变换器本章小结6学习指导DC-DC变换器换流及其特性分析DC-DC变换器的基本结构基本内容本章习题DC-DC变换器（DC-DCconverter）是指能将一定幅值的直流输入电压（或电流）变换成一定幅值的直流输出电压（或电流）的电力电子装置，主要应用于直流电压变换（升压、降压、升降压等）、开关稳压电源、直流电机驱动等场合。当DC-DC变换器输入为电压源，并完成电压－电压变换时，称之为DC-DC电压变换器当DC-DC变换器输入为电流源，并完成电流－电流变换时，称之为DC-DC电流变换器（习惯上所称的DC-DC变换器常指DC-DC电压变换器）学习指导目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器学习指导理论上，按其变换功能可将DC-DC变换器分为以下4种基本类型：降压型（减流型）DC-DC变换器，简称buck变换器升压型（增流型）DC-DC变换器，简称boost变换器升－降压型（增－减流型）DC-DC变换器，简称buck－boost变换器降－升压型（减－增流型）DC-DC变换器，简称boost－buck变换器目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器学习指导工程上，依据DC-DC变换器是否需要电气隔离，又可将其分为：有变压器的隔离型DC-DC变换器无变压器的非隔离型DC-DC变换器为讨论方便，本章所简称的buck变换器、boost变换器、buck－boost变换器及boost－buck变换器，除特加说明外，一般均指无隔离变压器的非隔离型DC-DC变换器。由于非隔离型DC-DC变换器是DC-DC变换器的基础，因此，本章首先着重讨论非隔离型DC-DC变换器的基本原理及其特性，下一章介绍隔离型DC-DC变换器的基本原理及其特性。目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器学习指导建议重点学习以下主要内容⑴DC-DC变换器基本电路构成的基本思路与换流分析⑵开关变换器中电感、电容元件的基本特性——伏秒平衡特性（电感元件）、安秒平衡特性（电容元件），是定量分析开关变换器的基础（学会应用该特性进行定量分析）⑶电流连续条件下的DC-DC变换器基本特性分析，这是DC-DC变换器性能分析和参数设计的基础，主要包括：稳态增益、电感电流及电容电压脉动量、功率器件中的电压及电流关系等目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器2.1DC-DC变换器的基本结构目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器如图所示，在变压器的一次绕组施加交流电压u1时，铁芯内磁通就变化，在二次绕组上就产生感应电压u2。如果设一、二次绕组匝数为w1、w2时，在二次绕组中产生的电压可用下式表达：u1u2w1w2Φ)w/w(uu)dt/d(wu)dt/d(wu12122211如何改变直流电压？2.1DC-DC变换器的基本结构目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器如左图所示。通过串联可变电阻改变直流电压。R↑，则uL↓；R↓，则uL↑。ERrLuL直流电动机E+-在串联电阻中也流过与负载电阻电流相同的电流，将产生大的损耗。利用上述原理，使用开关器件，将直流电压转换成脉冲的形式，把这些脉冲组合在一起就得到了输出电压。无需加入电阻，降低损耗由于输出电压由一系列脉冲组成，波形看上去就好像被周期性的斩切了一样。所以称为直流斩波器。工程上，一般将以开关管按一定控制规律调制且无变压器隔离的DC-DC变换器或输入输出频率相同的AC-AC变换器统称为斩波器（Chopper）当完成AC-AC变换时，称之为交流斩波器（ACChopper）；而当完成DC-DC变换时，则称之为直流斩波器（DCChopper）这种开关管按一定调制规律通断的控制为斩波控制2.1DC-DC变换器的基本结构目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器2.1DC-DC变换器的基本结构斩波控制按开关管调制规律的不同主要分为2种：脉冲宽度调制（PWM）这种控制方式是指开关管调制信号的周期固定不变，而开关管导通信号的宽度可调脉冲频率调制（PFM）这种控制方式是指开关管导通信号的宽度固定不变，而开关管调制信号的频率可调在以上2种调制方式中，脉冲宽度调制（PWM）控制方式是电力电子开关变换器最常用的开关斩波控制方式，也是本章讨论所涉及的主要开关控制方式。目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器2.1DC-DC变换器的基本结构直流斩波器实际上是一类基本的DC-DC变换器，按其直流输入输出相关量的大小关系（升、降、升-降、降-升），这种基本的DC-DC变换器可分为：buck型DC-DC变换器boost型DC-DC变换器buck-boost型DC-DC变换器boost-buck型DC-DC变换器以下分别讨论这类DC-DC变换器的基本结构。目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器2.1.1buck型DC-DC变换器的基本结构DC-DC电压变换原理电路及输入、输出波形图3-1a为基本的DC-DC电压变换原理电路，从图中可以看出：输入电压源Ui通过开关管VT与负载RL相串联，当开关管VT导通时，输出电压等于输入电压，Uo＝Ui；而当开关管VT关断时，输出电压等于零，Uo＝0。得到的基本电压变换电路的输出电压波形如图3-1c所示。显然，若令输出电压的平均值为Uo则Uo≤Ui，可见，图3-1a所示的电压变换电路实现了降压型DC-DC变换器（buck电压变换器）的基本变换功能IOUiLR+-a)UOLRIib)VTVTIOIioiUOUiouc)d)目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器DC-DC电流变换原理电路及输入、输出波形2.1.1buck型DC-DC变换器的基本结构图3-1b为基本的DC-DC电流变换原理电路，从图中可以看出：输入电流源Ii通过开关管VT与负载RL相并联，当开关管VT关断时，输出电流等于输入电流，即Io＝Ii；而当开关管VT导通时，输出电流等于零，即Io＝0。基本电流变换电路的输出电流波形如图3-1d所示。显然，若令输出电流的平均值为Io，则Io≤Ii。可见，图3-1b所示的电流变换电路实现了降流型DC-DC变换器（buck电流变换器）的基本变换功能IOUiLR+-a)UOLRIib)VTVTIOIioiUOUiouc)d)目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器2.1.1buck型DC-DC变换器的基本结构问题的提出图3-1a、3-1b所示的原理电路分别实现了基本的buck型电压变换和buck型电流变换，但buck型电压变换电路的输出电压和buck型电流变换电路的输出电流均是脉动的，如何进行改进？？为了减小输出电压、输出电流的脉动幅度，可以考虑在电路中加入适当的滤波环节（提示：电容电压不突变，可用于滤平电压脉动；电感中的电流不突变，可用于滤平电流脉动）目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器2.1.1buck型DC-DC变换器的基本结构为抑制输出电压脉动，可在图3-1a所示的基本原理电路中加入输出滤波元件（如：电容C）如图3-2a所示LR+-a)b)ouoiVTVTCLiuiiLRIOUiLR+-a)UOLRIib)VTVTIOIioiUOUiouc)d)目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器L2.1.1buck型DC-DC变换器的基本结构LR+-a)b)ouoiVTVTCLiuiiLRIOUiLR+-a)UOLRIib)VTVTIOIioiUOUiouc)d)为抑制输出电流脉动，可在图3-1b所示的基本原理电路中加入输出滤波元件（如：电感L）如图3-2b所示目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器2.1.1buck型DC-DC变换器的基本结构问题的提出分析已加入滤波环节的DC-DC电压﹑电流变换器输出滤波元件的加入必然使变换电路中开关管VT的电压、电流应力增加图3-2a所示的DC-DC去脉动电压变换器电路中，由于Uo≠Ui，当开关管VT导通时，电容C将造成输入输出短路，以至于开关管VT流入很大的短路电流而毁坏图3-2b所示的DC-DC去脉动电流变换器电路中，由于Io≠Ii，当开关管VT断开时，电感L将感应出极高的电压，从而使开关管VT过电压而毁坏如何限制电压电流应力？？为了限制开关管的电压、电流应力，可以考虑在电路中加入适当的缓冲环