DC-DC变换电路

ID
IL (1
D)
1 2
IL (1
D)
Uo D(1 D)2TS 2L
电感电流连续的临界条件推导
二极管VD电流的开关周期平均 值等于负载电流Io。
Io ID
Uo UoD(1 D)2TS
R
2L
L
临界条件： RTS
D(1 D)2 2
一、直接DC/DC变换器
2.升压斩波电路（boost）
2）电感电流断续工作模式(DCM)
现代功率变换技术
第三讲 直流-直流变换
第三讲 直流-直流变换
将大小固定的直流电压变换成可调的直流电压 的变换称为DC/DC变换。
具有这种DC/DC变换功能的电力电子装置，称 为DC/DC变换器（DC/DC Converter）
直流电动机调速、蓄电池充电、开关电源，特 别是在电力牵引上，如地铁、电气机车等。
1
UL TS
TS 0
uLdt
(Ui
Uo )ton TS
Uotoff
=0
一、直接DC/DC变换器
1.降压斩波电路
Uo ton D Ui TS
0 D1
I1
ton TS
Io
DIo
Ui I1 Ui DIo Uo Io
输出功率等于输入功率，可 将降压斩波器看作直流降压变压 器。
一、直接DC/DC变换器
DTS
Ui Uo
D
Uo R
一、直接DC/DC变换器
1.降压斩波电路
2）电感电流断续工作模式 (DCM) 输出电压：
1 2
(Ui
Uo) L
DTS
Ui Uo
D
Uo R
(Ui )2 Ui 2L 0 Uo Uo D2TS R
Uo 1 4K 1 D
Ui
2K
2L K D2TS R
DTs Ts
断续时D与负载 和电感、开关周 期有关。
一、直接DC/DC变换器 4. Cuk斩波电路
设两个电感电流连续
uL1
U i ton
(Ui Uc1)Toff Ts
0
uL2
(U c1
U0 )ton Ts
U T0 off
0
U0 D Ui 1 D
D 1时，U0 无穷，避免
特点：升压、降压； 输如、输出电流脉 动小； 不能空载运行，控制较为复杂。
➢用于电池供电设备中产生负电源的电路，
还用于各种开关稳压器中。
一、直接DC/DC变换器
3.升降压型电路( Boost-Buck)
电流断续状态
2L K D2TS R
U0 D Ui 1 D
电感电流断续时输出电压要高 于电流连续情况。负载电流很小 时，电感电流将断续。负载电流 越小，Uo越高。输出空载时，Uo 将趋向于无穷大，因此，升降压 电路也不应空载，否则会产生很 高的电压.
2.升压斩波电路（boost）
2）电感电流断续工作模式
Uo 1 1 4 / K 1
Ui
2
1 D
电感电流断续时的输出电压要高于电 感电流连续时的输出电压。输出空载时， K趋于无穷大，输出电压Uo也趋于无穷 大。
升压电路不应空载，否则会产生很高 的电压而造成电路中元器件的损坏。
一、直接DC/DC变换器
一、直接DC/DC变换器 4. Cuk斩波电路
应用：光伏发电方面的应用，最大跟踪控制， 特点：输入输出脉动小，输出纹波和电磁干扰都比 较小
一、直接DC/DC变换器
5. Sepic斩波电路 电路结构
Speic电路原理
a) Sepic斩波电路
V通态，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同时导电，L1 和L2贮能。
2)电流连续状态CCM
一、直接DC/DC变换器
3.升降压型电路( Boost-Buck)
2)电流断续状态DCM
Ui DTs U 0Ts
1 2
I L
U0 R
ID
1 2
I L
(Ui Uo
)2
2L D2TS R
2L K D2TS R
D 1时，U0
U0 D Ui 1 D
无穷，避免
一、直接DC/DC变换器
Ui DTS (Uo Ui )TS
二极管电流开关周期平均值为
ID
1 2
I L
电容Ｃ的开关周期平均电流为零，
故二极管电流开关周期平均值等于
负载电流
1 2
I L
Uo R
1 Ui DTS Ui D Uo
2 L Uo Ui
R
K 2L D2TS R
Uo 1 1 4 / K 1
Ui
2
1 D
一、直接DC/DC变换器
一、直接DC/DC变换器
3.升降压型电路( Boost-Buck)
特点：电路简单； 升压、降压； 输入电流脉动大； 输出电流脉动大； 不能空载运行。
一、直接DC/DC变换器
4. Cuk斩波电路
V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路有电流。 V断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路有电流。 输出电压的极性与电源电压极性相反。 电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。
第三讲 直流-直流变换
结构 ➢ 直接 型：降压斩波电路，升压斩波电 路，
升降压型电路等(直流斩波)
➢ 隔离型：正激（Forward）电路，反激 （Flyback）电路，半桥型，全桥型电路等
一、直接DC/DC变换器
1.降压斩波电路
1）电感电流连续工作模式（CCM） 电感，电容，二极管的作用？
稳态条件下电感两端电压在一 个开关周期内平均值为零
uS
(1
N1 N3
)U
i
与降压电路特性相同 广泛应用于功率为数百瓦~数千瓦的开关电源中。
二、带隔离变压器的直-直变换器
1.正激（Forward）电路 1）电流连续工作状态CCM
开关S开通后，变压器的激磁电流 由零开始，随时间线性的增长，直 到S关断。为防止变压器的激磁电 感饱和，必须设法使激磁电流在S 关断后到下一次再开通的时间内降 回零，这一过程称为变压器的磁心 复位。
0
Uo 1 0 D 1 Ui 1 D
升压
D 1时，U0 无穷，避免
I1
IL
U o Io
Uo
toff T
IL
UiIL
UiI1
一、直接DC/DC变换器
2.升压斩波电路（boost）
2）电感电流断续工作模式 (DCM)
uL
(t)
L
I L DTS
uL (t) Ui |0tDTS
IL
UoD(1 D)TS L
特点：电路简单； 只能降压； 输入电流脉动大； 输出电流脉动小。
DTs Ts
一、直接DC/DC变换器
1.降压斩波电路
应用于直流稳压开关电源和直流拖动。
不可逆直流电动机调速
一、直接DC/DC变换器
2.升压斩波电路（boost）
1）电感电流连续工作模式(CCM)
uL
Uiton
(Ui U0 )Toff Ts
2.升压斩波电路（boost）
一、直接DC/DC变换器
2.升压斩波电路（boost）
一、直接DC/DC变换器
2.升压斩波电路（boost）
PWM驱动生成方法： 载波调制法 电流跟踪法
一、直接DC/DC变换器
2.升压斩波电路（boost）
电流跟踪控制
一、直接DC/DC变换器
2.升压斩波电路（boost） 电流跟踪控制
➢实现相互隔离的多路输出； ➢实现电压等级的变换； ➢采用高频变压器，减小变压器和滤波电感、滤波电容的 体积和重量。
二、带隔离变压器的直-直变换器
1.正激（Forward）电路 1）电流连续工作状态DCM
在输出滤波电感连续情况下
Uo N2 ton N2 D Ui N1 T N1
开关上承 受电压：
一、直接DC/DC变换器
2.升压斩波电路（boost）
升压斩波电路（boost）的应用 功率因数校正电路
一、直接DC/DC变换器
2.升压斩波电路（boost）
一、直接DC/DC变换器
2.升压斩波电路（boost）
一、直接DC/DC变换器
2.升压斩波电路（boost）一、直接DC/源自C变换器ED 1 D
E
一、直接DC/DC变换器
一、直接DC/DC变换器
一、直接DC/DC变换器
5. Sepic斩波电路
特点：升压、降压；
a) Sepic斩波电路
输入电流脉动小；输出电流脉动大；
不能空载运行；
输入输出隔离；
控制、结构较为复杂；
单相功率因数校正电路。
二、带隔离变压器的直-直变换器
结构：电源→输入滤波器→全桥整流→直流滤波→ 开关管（振荡逆变）→高频变压器→输出整流与滤波
一、直接DC/DC变换器
5. Sepic斩波电路 电路结构
Speic电路原理
a) Sepic斩波电路
V断态，E—L1—C1—VD—负载回路及L2—VD—负载回路 同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充 电（C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移）。
Uo
ton tof f
E
ton T ton
电流断续时，总是有Uo＞DUi，且负载电流 越小，Uo越高。输出空载时，Uo=Ui
一、直接DC/DC变换器
1.降压斩波电路
2）电感电流断续工作模式 (DCM)
电流断续时，总是有Uo＞DUi，且负载电流越小，Uo 越高。输出空载时，Uo=Ui
一、直接DC/DC变换器
1.降压斩波电路
2）电感电流断续工作模式 (DCM)
Uo R
1 D 2L
UoTS
临界条件：
L 1 D RTS 2
一、直接DC/DC变换器
1.降压斩波电路
2）电感电流断续工作模式 (DCM)
输出电压：
DTs
(Ui U0 )DTs U0Ts 0 求出
Ts
I L
1 TS
TS 0
iL
(t)dt
1 2
IL (D
)
1 2
I
L
(D
)
Uo R
1 2
(Ui
Uo) L
Uo＝UiN2/N1
二、带隔离变压器的直-直变换器
1.正激（Forward）电路
正激型电路的电压比关系 和降压型电路非常相似，仅有 的差别在于变压器变比
正激型电路的电压比可以 看成是将输入电压Ui按电压比 折算至变压器二次侧后根据降 压型电路得到的
不仅正激型电路是这样， 半桥型、全桥型和推挽型电路 也是这样。
1.降压斩波电路
2）电感电流断续工作模式(DCM )
临界点： Io IL 电容电流一周期上平均值为零
I L
1 TS
TS 0
iL (t)dt
1 TS
(1 2
ILTS )
1 2
I L
L diL dt
Ui
Uo
I L
Ui
Uo L
DTS
Uo D Ui
IL
1 D 2L UoTS
1 D IL L UoTS
3.升降压型电路( Boost-Buck)
2)电流断续状态DCM
K 2L D2TS R
U0 D Ui 1 D
➢ 电感电流断续时输出电压要高于电 流连续情况。负载电流很小时，电感电 流将断续。负载电流越小，Uo越高。输 出空载时，Uo将趋向于无穷大.
➢ 升降压电路也不应空载，否则会产 生很高的电压
占空比不能太大，否则输出电 压过高。
一、直接DC/DC变换器
3.升降压型电路( Boost-Buck)
电流临界临界连续状态
+
I L
Ui DTS L
ID
1 2
IL (1
D)
-
Uo (1 D)2TS
2L
Io ID
电感电流联系与
L (1 D)2
断续的条件：
RTS
2
一、直接DC/DC变换器
3.升降压型电路( Boost-Buck)
trst
N3 N1
ton
B BS
变压器的磁心复位时间为
trst
N3 N1
ton
BR O
H
磁心复位过程
二、带隔离变压器的直-直变换器 1.正激（Forward）电路
2）电流断续工作状态DCM
断续临界条件： L 1 D
RTS 2 Uo N2 1 4K 1 Ui N1 2K
2L K D2TS R
电感电流断续时，输出电压 Uo将随负载电流减小而升高，在 负载电流为零的极限情况下
➢V1和VD1构成降压斩波电路，向电动机供电使其工作于 第1象限即正转电动状态，而V2和VD2构成升压斩波电路， 可使电动机工作于第2象限即正转再生制动状态。
一、直接DC/DC变换器
2.升压斩波电路（boost）
3)升压电路的典型应用
✓ 当使V2保持通态时，于是V3、VD3和V4、VD4等效为又一 组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作 于第3、4象限。 ✓ V3和VD3构成降压斩波电路，向电动机供电使其工作于第 3象限即反转电动状态，而V4和VD4构成升压斩波电路，可使 电动机工作于第4象限即反转再生制动状态。
一、直接DC/DC变换器
2.升压斩波电路（boost）
一、直接DC/DC变换器
3.升降压型电路( Boost-Buck)
1)电流连续状态CCM
uL
U i ton
U T0 off Ts
0
U0 D Ui 1 D
特点：输出电压与输入电压反向
则当0＜Ｄ＜1/2时，降压； 当1/2＜Ｄ＜1时，为升压。
2.升压斩波电路（boost）
3）升压电路的典型应用
常用于将较低直流电压变换为较高的直流电压，如电池供电设 备中的升压电路、液晶背光电源，单相功率因数校正电路等。
一、直接DC/DC变换器
2.升压斩波电路（boost）
3)升压电路的典型应用
➢ 当使V4保持通态时， V1发PWM波，则提供正电压，可使 电动机工作于第1、2象限，即正转电动和正转再生制动状 态。此时，需要防止V3导通造成电源短路。