第2章-基本DC-DC变换器

2.1.1 buck型 DC-DC变换器的基本结构
为抑制输出电压脉动，可在图3-1a所示的基本原 理电路中加入输出滤波元件（如：电容C）如图32a所示
Ui
VT
+
ui
RL UO Ii
VT
C
VT
RL IO
+
uo
RL
ii
uo
a)
- io
b) a)
Ui
Ii
UO
IO
2.1.1 buck型 DC-DC变换器的基本结构
2.1.1 buck型 DC-DC变换器的基本结构
ui
+
uo ii
RL
-
L
➢ 针对 图3-2VcD（图3-L2d）所示
VT VD
+
的DC-DC电压（电流）变换
i C
uo
RL
i
电路
io
输入侧为VT恒压（恒C 流）源R，L
-
因此电路输入侧无需滤波电
c)
容（电感）d)
VD
L
VT
C
d)
电路的输出侧则由于脉动而
为讨论方便，本章所简称的buck变换器、boost变换器、 buck－boost变换器及boost－buck变换器，除特加说明 外，一般均指无隔离变压器的非隔离型DC-DC变换器。 由于非隔离型DC-DC变换器是DC-DC变换器的基础，因 此，本章首先着重讨论非隔离型DC-DC变换器的基本原 理及其特性，下一章介绍隔离型DC-DC变换器的基本原
2.1.1 buck型 DC-DC变换器的基本结构
问题的提出 ？ 图3-1a、3-1b所示的原理电路分别实现了基本的buck型电 压变换和buck型电流变换，但 buck型电压变换电路的输 出电压和buck型电流变换电路的输出电流均是脉动的，如 何进行改进？
为了减小输出电压、输出电流的脉动幅度，可 以考虑在电路中加入适当的滤波环节（提示： 电容电压不突变，可用于滤平电压脉动；电感 中的电流不突变，可用于滤平电流脉动）
ui
C
+
uo
RL
ii
ui
LL VT
VTVD
+
C iuoo ii RRLL
a) L
b) c)
-
2.1.1 buck型 DC-DC变换器的基本结构
➢ 在上述改进基础上，为了避免开关管VT关断时缓冲电感L 中电流的突变（减小电压应力），应再加入续流二极管 VD（为电感释放储存的能量提供通路，减缓电感电流变 化率）如图3-2c所示
为抑制输出电流脉动，可在图3-1b所示的基本原理 电路中加入输出滤波元件（如：电感L）如图3-2b 所示
+
ui
UO Ii
- io
VT
+
u i VT
CRL IO
o
RL
i
b) a)
L
L
io
VT
RL
b)
Ii
UO
IO
为了限制开关管的电压、电流应力，可以
2.1.1 buck型 DC考 冲-D虑 电在 感C电 ，变路 续中 流换加 二器入 极适 管的当 ，基的缓冲缓本电冲容环结，节构箝（位如二缓
理及其特性。
学习指导
➢ 建议重点学习以下主要内容 ⑴ DC-DC变换器基本电路构成的基本思路与换流分析 ⑵ 开关变换器中电感、电容元件的基本特性——伏秒平衡 特性（电感元件）、 安秒平衡特性（电容元件），是定量 分析开关变换器的基础 （学会应用该特性进行定量分析） ⑶ 电流连续条件下的DC-DC变换器基本特性分析，这是 DC-DC变换器性能分析和参数设计的基础，主要包括：稳 态增益、电感电流及电容电压脉动量、功率器件中的电压 及电流关系等
➢ 这种开关管按一定调制规律通断的控制为斩波控制
2.1 DC-DC变换器的基本结构
➢ 斩波控制按开关管调制规律的不同主要分为2种： 脉冲宽度调制（PWM） 这种控制方式是指开关管调制 信号的周期固定不变，而开关管导通信号的宽度可调
脉冲频率调制（PFM） 这种控制方式是指开关管导通 信号的宽度固定不变，而开关管调制信号的频率可调
➢ 当DC-DC变换器输入为电压源，并完成电压－电压变换 时，称之为DC-DC电压变换器
➢ 当DC-DC变换器输入为电流源，并完成电流－电流变换 时，称之为DC-DC电流变换器 （习惯上所称的DC-DC变换器常指DC-DC电压变换器 ）
学习指导
➢ 理论上，按其变换功能可将DC-DC变换器分为以下4种基
➢ 由于输出电压由一系列脉冲组成，波形看上去就好像被周期性的斩 切了一样。所以称为直流斩波器。
2.1 DC-DC变换器的基本结构
➢ 工程上，一般将以开关管按一定控制规律调制且无变压 器隔离的DC-DC变换器或输入输出频率相同的AC-AC 变换器统称为斩波器（Chopper）
➢ 当 完 成 AC-AC 变 换 时 ， 称 之 为 交 流 斩 波 器 （ AC Chopper）；而当完成DC-DC变换时，则称之为直流斩 波器（DC Chopper）
极管）
问题的提出 ？
分析已加入滤波环节的DC-DC电压﹑电流变换器
输出滤波元件的加入必然使变换电路中开关管VT的电 压、电流应力增加
图3-2a所示的DC-DC去脉动电压变换器电路中，由于
Uo≠Ui，当开关管 VT导通 时，电容C将造成输入输出
短路，以至于开关管VT流入很大的短路电流而毁坏
图3-2b所示的DC-DC去脉动电流变换器电路中，由于
VT VD
+
C uo ii
RL
换bo器ost电型路电出流发变，换便器可电io以路导出
VT
C
RL
-
wenku.baidu.com
1)将输入电压源转化为电流源
c)
当变换器d)电路中开关管的开关
L
管频率足够高时，图3-2c所示
VT
+ 的buck型电压变换器电路中的
ui
VD
io uo
C
RL
输入电压源支路可以用 并联 电容的电流源 （Ci、Ii） 支路 取代，如图3-3b所示
uo ii
RL
VD
L
VT
C
d)
L
io ui
RL
VT
VD
+
C uo ii
RL
c)
2.1.2 boost型 DC-DC变换器的基本结构
以上讨论了buck型 变换器的构建，那 么如何实现升压型 （boost）的电压变 换和升流型（boost
）的电流变换呢？
➢若考虑变换器输入、输出能量的不变性 （忽略电路及元件的损耗），则buck型电 压变换器在完成降压变换的同时也完成了 升流（boost）变换。同理buck型电流变换 器在完成降流变换的同时也完成了升压（ boost）变换。
2.1.1 buck型 DC-DC变换器的基本结构
Ui
uo
Ui
VT
+
RL UO Ii
a)
- io
Ii UO
c)
DC-DC电压变换原理电 路及输入、输出波形
➢图3-1a为基本的DC-DC电压变换原 理电路，从图中可以看出：输入电压 源Ui通过开关管VT与负载RL相串联， 当开VT关管RVL TI导O 通时，输出电压等于输 入电压，Uo＝Ui；而当开关管VT关断 时，b) 输出电压等于零，Uo＝0。得到的 基本电压变换电路的输出电压波形如 图3-1c所示。
如何改变直流电压？
2.1 DC-DC变换器的基本结构
➢ 如左图所示。通过串联可变电阻改变直流电压。R↑，则 uL↓； R ↓ ，则uL ↑。
+
R
E
uL rL
E
直流 电动机
-
➢ 在串联电阻中也流过与负载电阻电流相同的电流，将产生大的损耗。
➢ 利用上述原理，使用开关器件，将直流电压转换成脉冲的形式，把 这些脉冲组合在一起就得到了输出电压。无需加入电阻，降低损耗
现代电源技术
Modern power technologies
第2章 DC－DC变换器
基本内容
1 学习指导 2 DC-DC变换器的基本结构 3 DC-DC变换器换流及其特性分析 4 复合型DC－DC变换器 5 本章小结 6 本章习题
学习指导
➢ DC-DC变换器（DC-DC converter）是指能将一定幅值 的直流输入电压（或电流）变换成一定幅值的直流输出电 压（或电流）的电力电子装置，主要应用于直流电压变换 （升压、降压、升降压等）、开关稳压电源、直流电机驱 动等场合。
➢ boost型电压变换和buck型电流变换以及 boost型电流变换和buck型电压变换存在功 能上的对偶性。若已知某种升（降）压电 压变换器电路则相应的降（升）流电流变 换器电路可以利用对偶原理求出
2.1.2 boost型 DC-DC变换器的基本结构
ui
ii
uo
L
➢ 从图3-2VcD所示的L buck型电压变
IO
➢显然，若令输出电压的平均值为Uo 则Uo≤Ui ，可见，图3-1a所示的电压变 换d电) 路实现了降压型DC-DC变换器（ buck电压变换器）的基本变换功能
2.1.1 buck型 DC-DC变换器的基本结构
+ UO Ii
- io
Ii UO
VT
RL IO
b)
IO
d)
DC-DC电流变换原理电 路及输入、输出波形
VD
LL
+
VT
uo ii ui VT
RL
CVD
+
i io
RLC
uo
RL
i
VD
L
io
VT
C
RL
-
d)
c)
-
d)
2.1.1 buck型 DC-DC变换器的基本结构
➢ DC-DC变换电路中的储能元件（电容、电感）有 滤波与能量缓冲两种基本功能： 滤波元件常设置在变换器电路的输入或输出 能量缓冲元件常设置在变换器电路的中间
io
需要滤波。即图3-2c所示的 电容C，图3-2d所示的电感L
RL 均起滤波作用。电压变换器
与电流变换器是互补的结构
2.1.1 buck型 DC-DC变换器的基本结构
➢ 一般将上述所加入的 如图3-2 c）中的缓冲电感和续流二 极管组成的电路 或 如图3-2 d）中的缓冲电容和钳位二极 管组成的电路统称为缓冲电路（或缓冲单元）
在以上2种调制方式中，脉冲宽度调制（PWM）控制方式 是电力电子开关变换器最常用的开关斩波控制方式，也是 本章讨论所涉及的主要开关控制方式。
2.1 DC-DC变换器的基本结构
➢ 直流斩波器实际上是一类基本的DC-DC变换器，按其直流 输入输出相关量的大小关系（升、降、升-降、降-升）， 这种基本的DC-DC变换器可分为： buck型 DC-DC变换器 boost 型 DC-DC变换器 buck-boost型 DC-DC变换器 boost-buck型 DC-DC变换器 以下分别讨论这类DC-DC变换器的基本结构。
➢ 图3-1b为基本的DC-DC电流变换原理电 路，从图中可以看出：输入电流源Ii通过 开关管VT与负载RL相并联，当开关管 VT关断时，输出电流等于输入电流，即 Io＝Ii；而当开关管VT导通时，输出电流 等于零，即Io＝0。基本电流变换电路的 输出电流波形如图3-1d所示。
➢ 显然，若令输出电流的平均值为Io，则 Io≤Ii 。可见，图3-1b所示的电流变换电路 实现了降流型DC-DC变换器（buck电流 变换器）的基本变换功能
Io≠Ii，当开关管 VT断开 时，电感L将感应出极高的电
压，从而使开关管VT过电压而毁坏
如何限制电压电流应力？
2.1.1 buck型 DC-DC变换器的基本结构
➢ 在图3-2a所示的buck型DC-DC电压变换电路中为了限制 开关管VT导通时的电流应力，则将缓冲电感L串入开关 管VT的支路中
VT
结构较为完善的
buck型电压斩波器
L
VD LL
VT
ui
VD
+
VT
i C uo i ui VT
RL
VDC
+
C iouo ii RLRL
c)
d) c)
2.1.1 buck型 DC-DC变换器的基本结构
➢ 在图3-2b所示的buck型DC-DC电流变换电路中，为了限制 开关管VT关断时的电压应力，则将缓冲电容C并入开关管 VT的两端
本类型：
降压型（减流型）DC-DC变换器， 简称buck变换器
升压型（增流型）DC-DC变换器， 简称boost变换器
升－降压型（增－减流型）DC-DC变换器， 简称buck－boost变换器
降－升压型（减－增流型）DC-DC变换器， 简称boost－buck变换器
学习指导
➢ 工程上，依据DC-DC变换器是否需要电气隔离，又可将其 分为： 有变压器的隔离型DC-DC变换器 无变压器的非隔离型DC-DC变换器
uo
RL
ii
L
VT
ui VT
b)
L +
i io
VD
C
uo i
RL RL
C-
c)
VD
L
io
VT
C
RL
d)
2.1.1 buck型 DC-DC变换器的基本结构
➢ 为了避免开关管VT导通时缓冲电容两端电压的突变（减
少电流应力），应加入钳位二极管VD（阻止电容放电）
如图3-2d所示
结构较为完善的
buck型电流斩波器
2.1 DC-DC变换器的基本结构
➢ 如图所示，在变压器的一次绕组施加交流电压u1时，铁
芯内磁通就变化，在二次绕组上就产生感应电压u2。如
果设一、二次绕组匝数为w1、w2时，在二次绕组中产生
的电压可用下式表达：
Φ w1
w2
u1 u2
w1(d / dt) w 2 (d / dt)
u1
u2
u 2 u1(w 2 / w1)