直流直流变换

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:
Uo Uo

1 8
Ts2 (1 D) LC

2 2
(1 D)
直流-直流变换器基本原理：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，因此也称为斩波器。
思考：这个电路有什么问题吗？
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：
Uo
DC-DC Converter 的应用：
DC-DC变换器是将固定的直流电压转换为可调的直流电压，广泛应用在直流电源 和直流电机驱动系统中。
4.1 简 介
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(Buck- Boost Converter) 4. 降压-升压复合型：Cuk直流-直流变换器 5. 全桥式直流-直流变换器(Full Bridge Converter)
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：
D ton Ts

uco Uˆ st
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(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<< 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。
Uo

ton Ts
Ud D Ud
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。
续流动，uL= -Uo，电感电流下降，如图4-5(b)所示。
输出电压
U o ton D U d Ts
(4-5)
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。
降压变换器工作过程演示
忽略电路所有元件的能量损耗，则
UdId UoIo
因此, 故有
本章主要内ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ：
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； 比较几种不同变换器的开关利用率。
4.2 直流-直流变换器的控制
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Id与输出电流Io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。
思考：哪种调制方法最合适？
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。
4.3 降压变换器
降压变换器电路原理图
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
fc fs
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。

1 Ts
0ton
U
d
dt

Ts
ton
0dt

ton Ts
Ud

DUd
D ton Ts
基本的直流-直流变换器和它的输出波形
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。
4.4 升压变换器
Boost的应用
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原理图。