7 第3章 直流-直流变换电路

本章主要内容3.1降压斩波电路3.2升压斩波电路3.3升降压复合斩波电路3.4库克电路3.5Sepic和Zeta斩波电路第3章直流-直流变流电路3.6复合型DC-DC斩波电路3.7带隔离的直流-直流变流电路3.1降压斩波电路(Buck)降压斩波电路也称为Buck电路，降压斩波电路的输出电压Uo低于输入电压Ud。该电路用GTR作为全控器件开关VT，电感和电容构成低通滤波器，二极管VD提供续流通道。3.1Buck电路-等效原理图sonsonLdoo00d()d()d0TtTtutUUtUt3.1Buck电路-电流连续模式sonsonLdoo00d()d()d0TtTtutUUtUtdoonoson()()UUtUTtoondsUtDUToddo1IUIUD3.1Buck电路-电流临界断续模式LLMdoLonddiIUUuLLttsdLBMLBLBM0.54(1)8TUDIIIDDL当onssdLBLMdodooB1()()(1)2222tDTTUIIUUUUDDILLL3.1Buck电路-电流断续模式oLdoso1sd1=0()()0UDUUUDTUTUD因oLLMoLLM1s1sddUiIUuLLITtTLosdsLM1Ls1soLLM111()()2222UTUTIDITDTIIIDDLL3.1Buck电路-电流断续模式dsoo1LBM11LBM424UTIIDIDLID2o2od1LBM1()4UDDIUDDI■例3-1在图3-1所示的降压斩波电路中，已知Ud=200V，R=10Ω，L值极大，Ts=50s，ton=20s，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。若存在负载Em=20V，求输出电流平均值Io。onods2020080(V)50tUUToo808(A)10UIR解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为输出电流平均值为3.1Buck电路-例题omo80206(A)10UEIR若存在负载Em=20V，输出电流平均值为■例3-2在图2-1所示的降压斩波电路中，已知Ud=27±10%V，Uo=15V，最大输出功率为Pomax=120W，最小输出功率为Pomin=10W，若工作频率为30kHz，求(1)占空比变化范围；(2)保证整个工作范围电感电流连续时的电感值。dmax27(110%)29.7(V)U解:(1)输入电压的变化值为3.1Buck电路-例题dmin27(110%)24.3(V)U占空比变化范围为od150.5050.61724.329.7UDU■例3-2在图2-1所示的降压斩波电路中，已知Ud=27±10%V，Uo=15V，最大输出功率为Pomax=120W，最小输出功率为Pomin=10W，若工作频率为30kHz，求(1)占空比变化范围；(2)保证整个工作范围电感电流连续时的电感值。sdsosooLBLBoo22omin3omin(1)(1)(1)(1)222215(1)(10.505)0.186m22103010TUTUTUULDDDDDIIIIfUDHPf解:(2)因为IL=Io,当负载最小，占空比最小时，所需要的电感越大，当Uo不变时，由式(2-5)得3.1Buck电路-例题3.2升压斩波电路（Boost）升压斩波电路也称为Boost电路。升压斩波电路的输出电压总是高于输入电压。升压斩波电路的一个典型应用是用作单项功率因数校正（PDC）电路。电路中的电容C起滤波作用，二极管VD提供续流通道。3.2Boost电路-等效原理图dondooff()0UtUUt3.2Boost电路-电流连续模式dondooff()0UtUUtosdoff11UTUtDdoPP由ddoood1UIUIIDILLMdLonddiIUuLLttoodLdL;1IIIIDII因为3.2Boost电路-电流临界断续模式2sooBLB(1)(1)2TUIIDDDLdsoLBLMon11(1)222UTUIItDDLLsoLBM0.5,8TUDIL当3.2Boost电路-电流临界断续模式soLB(:(1))2TUIDDL注。sooBM20.33,27TUDIL当2sooB(:(1))2TUIDDL注。2LBLBMoBoBM274(1),(1)4IDIIDDI所以oo11dsdo1sd1d1()0UIDUDTUUTUID3.2Boost电路-电流断续模式dLLMdLLMssddUiIUuLLIDTtDTLdsLM1Ls1sdLLM1()()222UTIDITDTIIIDDLsd1odo112TUIIIDDL3.2Boost电路-电流断续模式12oooddoBM4(1)27UUIDUUI■例3-3在图2-5所示的升压斩波电路中，已知Ud=50V，L值和C值极大，R=20，采用脉宽调制控制方式，当TS=40s，ton=25s时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。ooff4050133.3(V)4025TUEt输出电流平均值为：oo133.36.667(A)20UIR解：输出电压平均值为：3.2Boost电路-例题3.3升降压复合斩波电路(Buck-Boost)电路可以得到高于或低于输入电压的输出电压。当VT导通时，输入端经VT和电感构成电流通道，提供能量给电感，二级管反向偏置，电感电流增大，负载电流由电容器上存储的能量提供。当VT断开时，电感中的自感电势使二级管导通，存储在电感中的能量经二级管传递给电容和输出负载。电感电流减小，电路输出电压是负的。3.3Buck-Boost等效原理图0)1)((sosdTDUDTU+-+3.3Buck-Boost-电流连续模式dsos()(1)0UDTUDTod1UDUDdoPP由ddoood1UIUIIDID当占空比D大于0.5时，输出电压高于输入电压；当占空比D小于0.5时，输出电压低于输入电压，因此，改变占空比就可以得到期望的输出电压值。LLMdLonddiIUuLLttoLdooLd1+;(1)IDIIIIIDID因2sooBLB(1)(1)2TUIIDDLdsdsoLBLMon11=(1-)2222UTUTUIItDDLLL3.3Buck-Boost-电流断续模式得soLBM0,2TUDIL当so(:(1-))2TUDL注。sooBM0,2TUDIL当2so(:(1))2TUDL注。2LBLBMoBoBM(1),(1)IIDIID所以3.3Buck-Boost电流临界断续模式oo1dso1sd1d()0UIDUDTUTUIDdLLMdLLMssddUiIUuLLIDTtDTLdsLM1Ls1sLLM1()()222UTIDITDTIIDDL3.3Buck-Boost-电流断续模式oodoBMUIDUI■例3-4升降压复合斩波电路中，工作频率为20kHz，L=0.05mH，输出电容C足够大，Ud=15V，Uo=10V，输出功率为Po=10W，求占空比。ooo10W1A10VPIU解:3.3Buck-Boost–例题do100.4115UDDDU若工作于连续电流模式则带入2-37，可得D=0.4时电流临界连续的负载电流IoB322sooB30.051010(1)(10.4)1.8A220.0510TUIDL■例3-4升降压复合斩波电路中，工作频率为20kHz，L=0.05mH，输出电容C足够大，Ud=15V，Uo=10V，输出功率为Po=10W，求占空比。解:3.3Buck-Boost–例题oodoBM1010.3155UIDUI因输出电流Io=1AIoB,所以电路工作于电流断续模式，由式2-39和式2-46得3sooBM30.0510105A220.0510TUIL3.4库克电路(Cuk)3.4库克电路(Cuk)sonsonL1ddC100dd()d0TtTtutUtUUtsonsonL2C1oo00d()d()d0TtTtutUUtUtod1UDUD3.4库克电路(Cuk)3.4库克电路(Cuk)3.4库克电路(Cuk)-VT开通电路的工作状态是，VT开通时L1充电储能，当VT关断时电感向电容C1充电，形成C1上电压极性左正右负；同时，VT开通时C1向电容C充电并向负载R放电形成下正上负的电压极性，同时对L2充电，由于C1上的电压作用，二极管VD关断。3.4库克电路(Cuk)-VT关断VT关断时，电感L1向电容C1转移能量，电感L2续流导致VD开通，L2向电容C充电并向负载R放电。3.4Cuk电路-基本输入输出关系1odDUUD(2-59)dinooUIUI(2-61)1inoDIID(2-62)T3.5Sepic斩波电路◆工作原理☞V导通时，E—L1—VT回路和C1—VT—L2回路同时导电，L1和L2贮能。☞V关断时，E—L1—C1—VD—负载回路及L2—VD—负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电（C1贮存的能量在VT处于通态时向L2转移）。3.5Sepic斩波电路◆输入输出关系1ononooffonttDUEEEtTtD(2-70)T3.5Zeta斩波电路◆工作原理☞VT导通时，电源E经开关V向电感L1贮能。☞VT关断时，L1－VD－C1构成振荡回路，L1的能量转移至C1，能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。T3.5Zeta斩波电路◆输入输出关系为1oDUED(2-71)■两种电路具有相同的输入输出关系，Sepic电路中，电源电流连续但负载电流断续，有利于输入滤波，反之，Zeta电路的电源电流断续而负载电流连续；两种电路输出电压为正极性的。T3.6复合型DC-DC斩波电路3.6.1二象限DC-DC斩波电路3.6.2四象限DC-DC斩波电路3.6.3多相多重DC-DC斩波电路3.6二象限DC-DC斩波电路(1)(1)输出电流io0且VT1导通过程。直流侧电源通过VT1向负载供电，输出电压uo=ui，此时输出电流io增加，负载电感和负载电动势储能也增加。由于io0且uo0，因此电路工作在第一象限。3.6二象限DC-DC斩波电路(2)(2)输出电流io0且VT1关断过程。由于电感电流不能突变，因此VD2导通续流，输出电压uo=0，此时VT2承受反压而不能导通，因此输出电流减小，负载电感储能和负载电动势储能也减小。由于io0且uo=0，因此电路工作在第一象限。3.6二象限DC-DC斩波电路(3)(3)输出电流io0且VT2导通过程。负载电动势通过VT2向负载电阻和电感供电，输出电压uo=0，此时输出电流io反向增加，负载电感储能也增加。由于io0且uo=0，因此电路工作在第二象限。3.6二象限DC-DC斩波电路(4)(4)输出电流io0且VT2关断过程。由于电感电流不能突变，因此VD1导通续流，输出电压uo=ui，因VT1承受反压而不能导通，因此输出电流减小，负载电感储能和负载电动势储能也减小。由于io0且uo=ui，因此电路工作在第二象限。3.6四象限DC-DC斩波电路(1)(1)当VT4保持导通时，利用VT2、VT1进行斩波控制，则构成了一组电流可逆的二象限DC-DC斩波电路，此时uAB=0斩波电路运行在一二象限；3.6四象限DC-DC斩波电路(2)(2)当VT2保持导通