电力电子技术_直流-直流变换技术

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
1 1 1 I L Q I L T 2 2 2 8f
电容纹波峰峰值为： U
Q U d D(1 D ) OPP C 8 LCf 2 ——LC滤波器设计约束条件之一 U CPP 2u
Buck-Boost电路基本结构及CCM状态下等效电路
2.4 升降压变换器（Buck-Boost converter）
电感电流连续模式（CCM）工作波形分析
晶体管导通状态（0t t1=DT）
di I VT开通、VD关断，有： uL U d L L L L1 dt DT u (t ) U iC o o R R
2.2 降压式变换器（Buck Converter）
2.2 降压式变换器（Buck Converter）
电感电流断续模式（DCM）下工作参数分析
稳态时电感伏秒平衡，由波形图得：
(U d U o ) DT U o D T 0
'
D'
t s t1 T
电感平均电流等于输出直流电流，由波形图得：
2.1
概述
变压器隔离基本DC-DC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)
推挽变换器（Push-Pull converter)
有： uo Uo uripple (t ) Uo —— 小纹波近似
(稳态工作时，电容上的电压是直流分量和微小纹波的合成）
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（稳态工作时
一个开关周期内电容充放电平衡）。
——LC滤波器设计约束条件之一
2.3 升压式变换器（Boost Converter）
Boost电路基本结构及CCM状态下等效电路
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
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。
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 Uo （小纹波近似） dt 则：uL Ud uo Ud Uo 基本恒定，电流线性变化有：
输入输出能量守恒，有： I in
2 Io 1 1 4K
其中：Iin为输入平均电流（直流电流），Io为输出直流电流， D为占空比 ，Ud为输入直流电压，Uo 为输出直流电压
Buck电路电感电流连续的临界条件
输出电流大于临界连续时电感平均电流，即：
1 1 (1 D )T R 2L
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 Io 1 D
1 Uo Ud 1 D
—— 电容充放电平衡
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。稳态状况下一个开关周期内电感平均磁链维持不 变（电感伏秒平衡）。 一个开关周期内电感电流平均增量为零（ i1 i 2 0 ）或磁 链平均增量为零[ uL1 (t1 ) uL2 (t 2 ) 0 ] —— 电感伏秒平衡
电力电子技术
第二章 直流—直流变换电路
2.1
功能
概述
直流—直流变换电路及功能
将直流电变换为另一种固定电压或可调电压的直流电 分类 无变压器隔离DC-DC变换器
有变压器隔离DC-DC变换器
2.1
概述
无变压器隔离基本DC-DC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 ） Sepic变换器(Sepic Converter) Zeta变换器(Zeta Converter)
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，
由前三式可得： 其中：Iin为输入平均电流（直流电流），Io为输出直流电流， D为占空比 ，Ud为输入直流电压，Uo 为输出直流电压
Boost电路电感电流连续的临界条件
输出电流大于临界连续时二极管平均电流，即：
1 1 (1 D )2 DT R 2L
——LC滤波器设计约束条件之一
2.4 升降压变换器（Buck-Boost converter）
2.1
概述
开关调压的基本原理
U oav 输出平均电压：
t on Ud T
改变
t on 可以改变输出电压 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。
调节占空比的方法
脉冲宽度调制（PWM） 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。 脉冲频率调制（PFM） 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。
Uo 1 I L D ' R 2
由0 t t1时段（VT开通）电感电流波形得：
Ud I L DT L
2.3 升压式变换器（Boost Converter）
电感电流断续模式（DCM）下工作参数分析
2L 1 1 4 K K Uo Ud D 2TR 2 1 1 4 K 输入输出能量守恒，有： I in Io 2
Uo 1 I L ( D D ' ) R 2
由0 t t1时段（VT开通）电感电流波形得：
Ud Uo I L DT L
2.2 降压式变换器（Buck Converter）
电感电流断续模式（DCM）下工作参数分析
由前三式可得： U o
2 Ud 1 1 4K
K 2L D 2TR
U OPP U CPP 1 C

t1
0
I o DT I o D icdt C fC
——LC滤波器设计约束条件之一
2.3 升压式变换器（Boost Converter）
电感电流断续模式（DCM）下工作波形分析
0 t t1时段（VT开通） VD关断，电路拓扑、电路方程与CCM状态一致，区别 在于每个周期电感电流从零开始增长。 t1 t ts时段（VT关断） 电感续流，VD开通，电路拓扑、电路方程与CCM状态一 致，区别在于每个周期电感电流在ts时刻衰减到零。 ts t t2时段（VT、VD关断） 电感电流为零，电感电压为零，电容放电供给负载
I L1 (U d U o ) (U d U o ) t1 DT L L
iVT iL
io
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 Uo dt 输出电流线性减小，有：
2.3 升压式变换器（Boost Converter）
2.3 升压式变换器（BoM）下工作参数分析
稳态时电感伏秒平衡，由波形图得：
U d DT (U d U o ) D T 0
'
D'
t s t1 T
二极管平均电流等于输出直流电流，由波形图得：
uVT 0
di L I L L1 dt DT
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）
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
电感电流断续模式（DCM）下稳态工作波形分析
0 t t1时段（VT开通） VD关断，电路拓扑、电路方程与CCM状态一致，区别 在于每个周期电感电流从零开始增长。 t1 t ts时段（VT关断） 电感续流，VD开通，电路拓扑、电路方程与CCM状态一 致，区别在于每个周期电感电流在ts时刻衰减到零。 ts t t2时段（VT、VD关断） 电感电流为零，电感电压为零，电容放电供给负载
2.2
降压式变换器（Buck Converter）
iL / 2
输出电容电压、电流波形
2.2 降压式变换器（Buck Converter）
电感电流临界连续、断续工作模式简介
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
电感电流断续状态
2.2 降压式变换器（Buck Converter）
diL I L2 Uo L L dt t 2 t1 U o (1 D)T I L 2 L
iVT 0
io
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）
2.2 降压式变换器（Buck Converter）
Buck电路基本结构及CCM状态下等效电路
2.2 降压式变换器（Buck Converter）
等效的电路模型及直流变换器稳态工作基本规律
电感L和电容C 组成低通滤波器，输出电压uo就是us(t) 的直流分量Uo再附加微小纹波uripple(t) 。
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
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：