直流直流变换器

主要内容：
降压变换器、升压变换器、降压-升压变换器的 拓扑结构、工作原理、在电流连续和断续模式 下的各物理量之间的函数关系； 全桥式直流-直流变换器在单极性和双极性控制 方式时的工作原理； 影响直流-直流变换器输出电压纹波的因素；

几种不同变换器的开关利用率。
4.1 简 介
直流-直流变换器也称为斩波器，通过对电力电子 器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载 上，通过改变占空比改变输出电压平均值。 直流-直流变换器主要有如下几种基本型式： 1. 降压直流-直流变换器(Buck Converter) 2. 升压直流-直流变换器(Boost Converter) 3. 降压 - 升压复合型直流 - 直流变换器 (BuckBoost Converter) 4. 丘克直流-直流变换器 5. 全桥式直流-直流变换器(Full Bridge Converter)


(4-1)
式中 Ts—开关周期 D—开关占空比，

D
t on Ts
改变负载端输出电压有3种调制方法： 1．开关周期Ts保持不变，改变开关管导通时间ton。也称 为脉宽调制(PWM)。 2．开关管导通时间ton保持不变，改变开关周期Ts。 3. 改变开关管导通时间ton，同时也改变开关周期Ts。
4.3.4 输出电压纹波


在前面的分析中，假设输出电容足够大从而使uo=Uo。 然而，实际上，输出电容值是有限的，因此输出电压 是有纹波的。在电流连续模式下的输出电压的波形如 图4-10所示。 电压纹波的峰-峰值△Uo为:
fc U o 1 Ts (1 D) (1 D) Uo 8 LC 2 fs

按照控制电压和锯齿波幅值的关系，开关占空比D可以 表示成：
t on u co D ˆ Ts U st

(4-2)
直流-直流变换器有两种不同的工作模式： 1. 电感电流连续模式 2. 电感电流断续模式 在不同的情况下，变换器可能工作在不同的模式。因 此，设计变换器和它的控制器参数时，应该考虑这两 种不同的工作模式的特性。


图4-3 降压变换器电路原理图

图(a)所示的输入电压Uoi的波形，可以分解成直流分 量Uo、具有开关频率fs的谐波分量，如图(b)所示。

采用由电感和电容组成的低通滤波器的特性如图(c)所示。 低通滤波器的角频率fc应大大低于开关频率fs，经过滤波 器后的输出电压基本上消除了开关频率造成的纹波。假 设输出端的滤波电容足够大，则输出电压的瞬时值不变， 即uo=Uo。在稳态情况下，因为电容电流平均值为0，所 以电感电流平均值等于输出电流平均值Io。

4.3 降压变换器

降压变换器也称为 Buck变换器，正如名字所定义的， 降压变换器的输出电压Uo低于输入电压Ud。
在实际应用中，有如下问题： 1．实际的负载应该是感性的。即使是阻性负载，也总有 线路电感，电感电流不能突变，因此，图4-1的电路可 能由于电感上的感应电压毁坏开关管。采用图4-3的电 路，则电感中储存的电能可以通过二极管续流释放给 负载； 2．在大多数应用中需要的是平稳的直流电压。而图4-1 的电路输出电压在0和Ud间变化。采用由电感和电容组 成的低通滤波器可以得到平稳的输出电压。
4.3.1 电流连续模式时的工作情况
在开关管导通期间ton，输入电源经电感流过电流，二 极管反偏。这导致在电感端有一个正向电压uL=Ud-Uo， 如图4-5(a)所示。这个电压引起电感电流iL的线性增加； 当开关管关断时，由于电感中储存电能，产生感应电 势，使二极管导通，iL经二极管继续流动，uL= -Uo， 电感电流下降，如图4-5(b)所示。 U o t on 输出电压 (4-5) D
2 2 2
(4-24)


式(4-24)表明：通过选择输出端低通滤波器的角频率 fc， 使fc<<fs，就可以抑制输出电压的纹波。当变换器工作 在电流连续模式时，电压脉动与输出负载功率无关。 对电流断续模式的情况也可做类似的分析。 在开关模式的直流电源系统中，输出电压纹波的百分 比通常小于1%，因此，在前面的分析中假定uo= Uo是 不会影响分析结果的。
4.2 直流-直流变换器的控制
Байду номын сангаас

基本的直流-直流变换器和它的输出波形

开关管导通时，输出电压等于输入电压 Ud ；开关管断 开时，输出电压等于0。输出电压波形如上图所示，输 出电压的平均值Uo为
t on 1 ton Ts Uo U d dt ton 0dt U d D U d Ts 0 Ts

方式1的PWM是最常见的调制方式，这主要是因为后2 种方式改变了开关频率，而输出级滤波器是根据开关 频率设计的，显然，方式1有较好的滤波效果。

图4-2(a)是脉宽调制方式的控制原理图。给定电压与实 际输出电压经误差放大器得到误差控制信号 uco，该信 号与锯齿波信号比较得到开关控制信号，控制开关管 的导通和关断，得到期望的输出电压。图4-2(b)给出了 脉宽调制的波形。锯齿波的频率决定了变换器的开关 频率。一般选择开关频率在几千赫兹到几百千赫之间 。

Ud
Ts

因此，在电流连续模式中，当输入电压不变时，输出 电压Uo随占空比而线性改变，而与电路其他参数无关。
忽略电路所有元件的能量损耗，则 因此 Ud Id Uo Io 故有
Io Ud 1 Id Uo D
Pd Po
(4-6)
因此，在电流连续模式下，降压变换器相当于一个直流 变压器，通过控制开关的占空比，可以得到要求的直 流电压。 由式 (4-6) 有，输入电流平均值 I d 与输出电流 I o 是变比的 关系，但当开关管断开时，瞬时输入电流从峰值跳变 到0，这样对输入电源会有较大的谐波存在，因此，在 输入端加入一个适当的滤波器用来消除不必要的电流 谐波。
4.4 升压变换器

图4-11 升压变换器电路原理图

升压变换器也称为Boost变换器。正如名字所指的，升 压变换器的输出电压总是高于输入电压。图 4-11是升 压变换器的电路图。