第二章 直流-直流变换电路

U OPP U CPP 1 C

t1
0
icdt
I o DT I o D C fC
课堂思考
利用Boost电路设计以开关电源，电路工作于电感电流
连续状态，设计指标如下：
（1）输入电压10V， （2）输出电压30V， （3）输出纹波峰峰值不大于300 mV， （4）输出电流最大1A，最小100mA，
的直流分量Uo再附加微小纹波uripple(t) 。 有： o Uo uripple (t ) Uo u — 小纹波近似原理
2.2 降压式变换器（Buck Converter）
一个开关周期内电容包含充电和放电两个过程，稳态时
电路达到稳定平衡，电容上平均电压维持不变
—— 一个开关周期内电容充放电平衡。
DT
设计方法
（5）计算二极管额定电压、额定电流
与计算MOS管电流类似， I VDrmsmax Iomax 1 D 0.82A 二极管额定电流
I F(AV)
0.82 0.52A 1.57
由工作波形可以确定，二极管承受最高电压为30V
实际可选二极管参数： 额定电流1A以上 额定电压60V以上 选择快恢复二极管
2.2 降压式变换器（Buck Converter）
i L 1 I LPP 2
输出电容电压、电流波形
2.2 降压式变换器（Buck Converter）
电感电流断续工作模式（DCM模式）简介
对于CCM状态
1 I o I 2
电感电流临界连续导通状态
对于DCM状态
1 I o I 2
8 LCf
1 I L 1.1A 2
C 2.5 10
6
F
实际可选取电容量为3.3μF以上 电容工作时承受最高电压为10V，可选额定电压为16V以上 （4）计算MOS管的额定电流、额定电压 I VTrmsmax Iomax D 0.57A 由工作波形确定 U VTmax 30V 实际可选取参数： Io 额定电流 1.5A以上 额定电压 50V以上
iVT iL
uo ( t ) Uo iC R R
2.3 升压式变换器（Boost Converter）
二极管VD导通模式（t1 t t2=T ） VT关断，电感续流，VD导通，有： diL I L2 uL U d U o L L dt (1 - D)T 考虑电感伏秒平衡，电感电流为下降曲线。 （斜率与电感电流相同）
电感电流连续模式（CCM）下工作参数分析
由稳态时电感伏秒平衡的规律，得：
(U d U o ) DT U o (1 D)T 0
Ud I in Uo Io

U o DUd
忽略电路工作产生的损耗，输入输出能量守恒，有：

I in DIo
其中：Iin为输入平均电流（直流电流），Io为输出直流电流，
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ic波形，电容充电电荷Q为
Q 1 1 1 I L I L T 2 2 2 8f
电容纹波峰峰值为：U OPP U CPP
Q U d D(1 D ) 2 u C 8 LCf 2
电力电子技术
第二章
直流—直流变换电路
2.1
概述
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，功能包括：
直流电幅值变换 直流电极性变换
2.1
概述
无变压器隔离基本变换器
降压式变换器（Buck Converter） 升压式变换器（Boost Converter) 升降压式变换器（Buck-Boost Converter ） 库克变换器（Cuk Converter ）
Ud D 1 0.67 Uo

I L 0.6A
由
L 0.00011 H 0.11mH
设计方法
电感电感峰值电流 I Lmax I inmax 1 I L I omax 1 I L 3.3A
（3）计算电容参数 由输出纹波要求，
2
Байду номын сангаас
1- D
2
U OPP
D为占空比 ，Ud为输入直流电压，Uo 为输出直流电压
2.2 降压式变换器（Buck Converter）
电感电流连续模式（CCM）下工作参数分析
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，电感电流脉动峰峰值为：
I LPP I L1 U d (1 D ) (1 D ) DUd DT L fL
I L1 (U d U o ) (U d U o ) t1 DT L L
iVT iL
Uo iC iL io iL R （io恒定，iC与iL同斜率）
2.2 降压式变换器（Buck Converter）
二极管导通模式（t1 t t2=T ）
VT关断，电感续流VD导通,有： diL uL U o L uVT Ud uo (t ) U o dt 输出电流线性减小，有：
diL I L2 Uo L L dt t 2 t1 U o (1 D)T I L 2 L
iVT 0
Uo iC iL io iL R （io恒定，iC与iL同斜率)
Buck电路工作波形(CCM状态)
2.2 降压式变换器（Buck Converter）
忽略电路工作产生的损耗，输入输出能量守恒，有：
Ud Iin Uo Io

I in
1 Io 1 D
2.3 升压式变换器（Boost Converter）
电感电流连续模式（CCM）工作参数分析
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，晶体管导通时有： Ud DU d I LPP I L1 t1 L fL 输出电压脉动很小，一个周期内电容充放电平衡，根据ic波 形，Q的时间为DT，则输出纹波峰峰值为：
推挽变换器（Push-Pull converter)
2.1
概述
开关调压的基本原理
输出平均电压： U oav
t on Ud T
2.1
概述
t on T
占空比的定义
开关接通的占空比定义为： D 其中：ton为开关导通时间，T为开关周期。
脉冲宽度调制（PWM）
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。
（1）由输入输出电压关系，计算D
（2）计算电感参数 Boost变换器电感电流平均值即为输入直流值，当输出最 小电流时，电感电流应至少处于电感电流临界连续才能维持整 个工作范围电感电流连续。电感电流临界连续时，有：
I inmin 1 I omin 0.3A 1 D
I L DUd fL
I inmin 1 I L 2
Sepic变换器(Sepic Converter)
Zeta变换器(Zeta Converter)
2.1
概述
变压器隔离基本变换器
正激式变换器(Forward Converter) 反激式变换器(Flyback Converter) 半桥式变换器(Half-Bridge Converter) 桥式变换器(Bridge Converter)
电感电流断续状态
课堂思考
利用Buck电路设计一开关电源，电路工作于电感电流
连续状态，设计指标如下：
（1）输入电压30V， （2）输出电压10V，
（3）输出纹波峰峰值不大于100 mV，
（4）输出电流最大1A，最小100mA， （5）电源开关频率100kHz, 计算电路相关参数？
设计方法
电路参数设计目标：
I omin 1 I L 2

I L 0.2A
由
(1 D ) DU d I L fL
L 0.00033 H 0.33mH
设计方法
电感电感峰值电流
I Lmax I omax
（3）计算电容参数 U D(1 D ) 由输出纹波要求， U OPP d 2
DT
设计方法
（5）计算二极管额定电压、额定电流
与计算MOS管电流类似， I VDrmsmax Iinmax 1 D 1.72A 二极管额定电流
2.3 升压式变换器（Boost Converter）
Boost电路基本结构
2.3 升压式变换器（Boost Converter）
电感电流连续模式（CCM）下工作波形分析

晶体管导通状态（0 t t1=DT）
VT开通、VD关断，有： uL U d L
uVT 0
di L I L L1 dt DT
（5）电源开关频率100kHz,
计算电路相关参数？
设计方法
电路参数设计目标：
（1）电感参数设计，需得到电感量与最大峰值电流两个参数
（2）电容参数设计，需得到电容量与额定电压两个参数 （3）MOSFET开关管选择，需得到额定电流额定电压两个参数 （4）二极管选择，需得到额定电流额定电压两个参数
设计方法
Uo iC i L i o i L R
iVT 0
uVT U o
2.3 升压式变换器（Boost Converter）
电感电流连续模式（CCM）工作参数分析 电感伏秒平衡，有：
(U d U o )(1 D)T U d DT 0

1 Uo Ud 1 D
脉冲频率调制（PFM）
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 降压式变换器（Buck Converter）
Buck电路基本结构
2.2 降压式变换器（Buck Converter）
等效的电路模型及直流变换器基本规律
电感L和电容C 组成低通滤波器，输出电压uo就是us(t)
（1）电感参数设计，需得到电感量与最大峰值电流两个参数
（2）电容参数设计，需得到电容量与额定电压两个参数 （3）MOSFET开关管选择，需得到额定电流额定电压两个参数 （4）二极管选择，需得到额定电流额定电压两个参数
设计方法
（1）由输入输出电压关系，计算D
D Uo 0.33 Ud
（2）计算电感参数 Buck变换器电感电流平均值即为输出直流值，当输出最小 电流时，电感电流应至少处于电感电流临界连续才能维持整个 工作范围电感电流连续。电感电流临界连续时，有：
2.2 降压式变换器（Buck Converter）
电感电流连续模式（CCM）下稳态工作波形分析
分析过程假定： （1）忽略器件开关时间 （2）忽略元器件工作损耗和寄生参数影响 （3）忽略电路的分布参数影响 （4）输入为理想直流电源，忽略内阻、纹波、电压波动 假定条件是对实际电路的一种简化与近似，实际电路通过 合理的工艺设计，其工作状态一般接近于假定的状态。
I omax D Cf
C 11.2 10
6
F
实际可选取电容量为22μF以上 电容工作时承受最高电压为30V，可选额定电压为50V以上 （4）计算MOS管的额定电流、额定电压 I VTrmsmax Iinmax D 2.5A 由工作波形确定 U VTmax 30V 实际可选取参数： Io 额定电流 5A以上 额定电压 50V以上
约定：小写字母表示瞬时值，大写字母表示直流
2.2 降压式变换器（Buck Converter）
晶体管导通状态（0
t t1）
VT开通、VD关断， Ud恒定，有： di L uL U d uo L uVT 0 uo (t ) U o （小纹波近似） dt 则：uL Ud uo Ud Uo 基本恒定，电流线性变化有：
2.2 降压式变换器（Buck Converter）
开关S臵于1位时（Δt1)，电感电流增加（ΔI1) ，电感储
能；而当开关S臵于2位时（Δt2) ，电感电流减小（ΔI2)， 电感释能。稳态状况下一个开周期内电感平均磁链维持不变。 电流平均增量为零（ i1 i 2 0 ）或磁链平均增量为零 [ uL1 (t1 ) uL2 (t 2 ) 0 ]——一个开关周期内电感伏秒平衡。