5-1-直-直变换器

5直流－直流变换器直流－直流变换器作用：固定直流－可控直流。变换器中的功率器件工作于开关状态。应用：直流开关电源，直流电机驱动。直流－直流变换器的系统组成直流－直流变换器的主要种类：•基本结构：降压变换器（Buckconverter)升压变换器（Boostconverter)•复合结构：升降压变换器（Buck－Boostconverter)全桥变换器（fullbridgeconverter)学习目的：直流－直流变换器的基本控制原理和控制方式。基本变换器（Buck,Boost）及由其衍生出的复合型变换器的工作原理。变换器的连续和不连续导通模式的特点5.1直流－直流变换器的控制原理5.1.1基本开关型直流－直流变换器•控制输出电压vo平均值的方法：控制开关通断时间。onodstVVT＝onstDT＝称为占空比•直流－直流变换器又称斩波器，开关器件应为全控型。直流－直流变换器的三种控制方式（改变占空比的方式）脉冲宽度调制PWM（PulseWidthModulation）周期不变，通过导通时间的改变，控制输出电压。脉冲频率调制PFM（PulseFrequencyModulation）导通时间不变，改变导通的周期来改变输出电压。混合型调制：ton和Ts都可调，以改变占空比。onoddstVVDVT＝＝PWM（脉冲宽度调制）是直流－直流变换器中最常用的控制方法。5.1.2PWM控制信号的生成方法•脉冲宽度调制电路控制信号比较器周期信号开关控制信号stcontrolsonvvTtDˆ重复波形锯齿电压5.2降压（BUCK）变换器5.2.1电路结构和基本原理0011()sonTtonoodddssstVvtdtVdtVDVTTT＝•平均输出电压1odDVV降压变换1.基本的降压变换电路假定：恒定的输入电压、理想的开关、纯电阻负载•基本电路的缺陷•实际的负载应为感性。即使是阻性负载，负载回路中仍会存在分布电感。开关断开时，必须有吸收电感储能的回路，否则开关会因过压而损坏。•输出电压波动太大（0或Vd）•解决方法•增加二极管，形成续流回路，吸收电感储能。•负载侧接入低通滤波器（由电感和电容构成），减小输出电压的波动。低通滤波器续流二极管滤波器输入电压2.实用的降压变换电路变换器输出电压低通滤波器的作用•滤波器输入电压包含直流分量Vo和谐波分量谐波分量直流分量Vo滤波器输入电压•谐波分量的频率为开关频率的整数倍•滤波器的转折频率fc远小于开关频率fs，可滤除输出电压中的谐波开关频率fs转折频率开关频率fs输出电压续流二极管的作用续流二极管•开关闭合时，二极管反向截止，Vd通过电感向负载提供电流。•开关断开时，电感中的电流通过二极管续流，向负载释放电感中的储能。采用滤波器后，如何简便地计算滤波器输出电压平均值？•稳态的含义：电压、电流为重复的周期波。11()()LLitTit•电感电流11()()1()()LLtLLLtditLvtdtititvdL•稳态时电感电流1110tTLtvdT稳态时电感电压在一个周期内的平均值为零。面积A＝面积B3.稳态电路中电感上电压、电流的特点L伏秒平衡原则•电容电压11()()1()()cctccctdvtCitdtvtvtidC•稳态时电容电压11()()ccvtTvt110tctidT稳态时电容电流在一个周期内的平均值为零。面积A＝面积B4.稳态电路中电容上电压、电流的特点C安秒平衡原则•电感中的平均电流等于平均输出电流Io。（因为稳态时电容上的平均电流是零）•假设滤波电容非常大，则近似认为输出电压恒定。()oovtV•电感电流连续和断续时电路的工作特性不同。LoII5.稳态时降压变换电路的特点5.2.2连续导通的工作模式连续导通模式：电感电流连续，即iL(t)0•开关闭合时,二极管反向截止LvLioI•开关断开时，iL通过二极管续流ontofftsT()LLdodivtVVLdt()LodivtVLdt求取连续导通模式下输出电压平均值()()doonosondonoonosoonVVtVTtVtVtVTVt00()()0sonsonTtTLdootvdtVVdtVdt•方法1：利用电感上的伏秒平衡原则(oondsVtDVT占空比）•方法2：从滤波器输入电压平均值入手0001110sssTTToiLosssdonoffoonosdsvdtvdtvdtTTTVttVtVDTVT输出电功率doPP•忽略电路元件上的损耗，可得输入功率Pd等于输出功率Po1ddoodoodVIVIVIVID•连续导通模式下的降压变换器可等效为直流降压变压器，变压比可通过占空比D在0～1之间连续调节。•尽管电流Id也符合变压器的关系，但电流波形在一个周期中是跳变的，含有大量谐波。1dodoVVDIDIiL断续仅依靠电容向负载供电vL=0断续导通时的情况(负载较轻时，IL减小，将不连续）5.2.3断续导通工作模式Vd不变情况下，降压变换器的输出特性0.5D时临界连续电流最大临界状态odVDV连续时最大临界连续电流5.2.4输出电压的脉动率（连续导通模式）•实际上，电容值有限，输出电压存在脉动。•前面的分析中，滤波电容足够大，使得()oovtV•求解电压脉动时，假设IL中的脉动分量流向电容，而平均值分量流向电阻。()oovtV•求解LI•电压脉动•电压脉动率2(1)18osoVTDVLC11222osLQVCTIC(1)oLsVIDTLofft()()LLditLvtdt()()ccdvtCitdt22(1)2ocosVfDVf112scsffTLC设＝•合理选择转折频率可有效减小电压脉动率csff一般取•连续导通模式下，电压脉动率与输出功率无关。•在开关型直流电源中，输出电压的脉动率一般小于1％，所以前面采取的假设是合理的。()oovtV例5－1下图所示的Buck变换器。电源电压Vs=220V，额定负载电流11A，最小负载电流1.1A，开关频率20KHz。当输出电压Vo=110V时，回答下列问题：1)L值和C值极大时，采用脉宽调制控制方式，求开关T的导通占空比及在1个开关周期中的导通时间。并画出此时流过器件T的电流iT以及流过二极管D的电流iD的波形2)要求最小负载时电感电流不断流，且输出电压纹波小于1%。计算输出滤波电感L和电容C的最小取值。解：1）首先计算变压比：1100.5220osVDV0.5*1/0.5/2000025onsstDTfust(µs)02550t(µs)02550iTiDiT和iD的波形解：2）为保证电流连续，应使最小负载电流大于电感临界连续电流，即则保证电流连续的电感值为：,min()2soLBdoDTIIVVL3,min110(1)*0.51.25*1022*1.1*20000oosVLDHIf所以保证电感电流连续的最小电感值为：3min1.25*10LH要求电压纹波小于1%，即则保证电压纹波小于1%的电容值为：所以保证保证电压纹波小于1%的最小电容值为：020(1)0.018sVDVLCf52210.51.25*100.01*80.01*8*0.00125*(20000)sDCFLf5min1.25*10CF结束++-LTCRSVLVLioici+-oVCO++-LDTCRSVLVLioici+-oVCO+110VRSV+-oV220V+-LLVLiCO+110VRSV+-oV220V+-升压变换电路的设计思路:泵升原理5.3升压（BOOST）变换器5.3.1电路结构和基本原理1）需串联电势才能升压2）利用电感储能3）电感储能释放储能4）二极管隔离输出电压(充电）(放电）•升压变换器的电路结构保持输出电压储存电能规定电能传递的方向•稳态分析时，假设滤波电容非常大()oovtV•升压变换器特点：输出电压高于输入电压5.3.2连续导通的工作模式连续导通模式：电感电流连续，即iL(t)0LvLiLI()LLddivtVLdt()LdodivtVVLdtontofftsT•开关闭合时：二极管反偏截止，输出被隔离；输入电源向电感中储能•开关断开时：输入电源及电感共同向输出侧提供电能。变压比•利用电感上的伏秒平衡原则()0dondooffdsooffVtVVtVTVt11osdoffVTVtD1doddoodoodPPVIVIVIDVI电流比连续导通模式下的升压变换器可等效为直流升压变压器，变压比可通过占空比D在大于1的范围内连续调节。11doIID5.3.3断续导通工作模式电感电流临界连续的情况电感电流iL在关断阶段（toff）结束时恰好为零。LLBII•电感电流临界连续•电感电流断续LLBII1/3D时临界输出电流最大临界状态升压变换器的控制特性11osdoffVTVtD最大临界连续电流•每个开关周期，电感储能都要传递给输出端。•如果负载较轻，不能消耗该能量，将导致电容电压上升•Vo过高导致负载侧出现过压或击穿电容。所以升压变换器不能空载工作。升压变换器工作在断续导通模式时的特殊要求5.3.4寄生元件的影响•电感、电容、开关、二极管等元件上的损耗产生了寄生元件效应，当D接近1时，实际的变压比有所下降。•应用时，一般要限制占空比D，使寄生效应不明显。5.3.5输出电压的脉动率•实际上，电容值有限，输出电压存在脉动。ossoVDTTDVRCRC•连续导通模式下，输出电压脉动率111ooonosVVQtCCRVDTCRCDoiii例5－2在下图所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和C值极大，R=20Ω，采用脉宽调制控制方式，当Ts=40μs，ton=25μs时，回答下列问题：1）计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io，输入电源的电流平均值Iin。2）画出如下波形：器件V上电流iv和电压uv，二极管VD上电流iVD和电压uVD。3）计算器件V上电流平均值IdV和有效值IV255408onstDT解：1）011UED00UIR11inoIID2）ViVussVDi2515VDuss3）2540dVinII2540VinII课间D变化时，输出电压即可高于输入电压，也可低于输入电压，故称为升降压变换器。5.4BUCK－BOOST变换器电路结构和工作原理•设计思路：升降压变换器可由降压和升压两个基本变换器串联构成。•稳态时，总的输出－输入电压变换比可表示为两个子变换器的变换比之积。（假设两个子变换器的占空比相同）11odVDVDBUCKBOOST•开关闭合时，输入电源向电感中储能，二极管截止。•开关断开时，电感储能传递到输出端，输入电源不提供电能。•稳态分析时，假设滤波电容非常大，则有：()oovtV参照输入电源公共端，输出电压极性为负COMLvLidoII()LdvtV()LovtVontofftsT•开关闭合时•开关断开时连续导通模式下的电压变换比•利用电感上的伏秒平衡原则()(1)0dsosVDTVDT1odVDVD10.5ifD10.5ifD5.5全桥DC－DC变换器•DC-DC开关型变换器的输出特性。•前面学习的三种变换器均只能工作在单象限，不能实现电能的双向流动。VoⅠⅡⅢⅣIoVdBUCKBOOSTBUCK-BOOST•利用基本变换器的组合构成复合型变换器，以实现可逆运行方式。电流可逆斩波电路(半桥可逆斩波电路）•V1和VD1构成降压斩波电路，负载吸收电能，输出特性位于第1象限。•V2和VD2构成升压斩波电路，负载输出电能，输出特性位于第2象限。•负载电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其输出特性位于第1象限和第2象限（或3和4象限）•电路结构：降