第四章直流-直流变换器课件.ppt

1、1第四章 DC-DC变换电路第五节 Cuk斩波电路第四节 升降压斩波电路第三节 升压斩波电路第二节 降压斩波电路第一节 直流斩波电路的工作原理内容提要与目的要求 第六节 降压式变换器SIMULINK仿真2内容提要与目的要求v了解直流斩波器的工作原理及控制方式。了解直流斩波器的工作原理及控制方式。v掌握直流斩波器的基本电路、波形分析及掌握直流斩波器的基本电路、波形分析及电路参数计算。电路参数计算。v重点：掌握各种斩波电路的波形分析及工重点：掌握各种斩波电路的波形分析及工作原理。作原理。3第一节 直流斩波电路的工作原理一、直流斩一、直流斩波的概念及波的概念及分类分类二、基本斩二、基本斩波电路的工波

2、电路的工作原理作原理4一、直流斩波的概念及分类v概念：概念：将一个固定电压的直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电称之为DCDC变换，而实现这种功能的电路称之为直流斩波电路直流斩波电路(DC Chopper)或称直流一直流变换器直流一直流变换器（DCDC Converter）。v优点：优点：直流斩波器具有效率高、体积小、重量轻、成本低等。v应用：应用：用于直流牵引变速拖动中，如无轨电车、地铁列车、电动汽车的控制；用于直流开关电源和电池供电的设备中，如通信电源、电子笔记本，计算器等。5v分类：分类：包括6种基本斩波电路：降压斩波电路（Buck Chopper）升压斩波电路（Boost Chop

3、per）升降压斩波电路（Boost-Buck Chopper）Cuk斩波电路 Sepic斩波电路 Zeta斩波电路v其中前两种是最基本的电路，本章将对这两种电路作重点介绍，并在此基础上介绍升降压斩波电路和Cuk斩波电路。6二、基本斩波电路的工作原理v最基本的降压斩波电路，以阻性负载为例。v当开关（S）合上（即电力电子器件导通）时，直流电压加到负载R上，并持续ton时间。v当开关（S）断开（即电力电子器件关断）时，负载上的电压为零，并持续toff时间，Tton+toff为斩波电路的工作周期，其输出波形如图4-1所示。7v 由波形图可得输出电压平均值为 ton为S闭合（导通）时间；toff为S断开

4、（关断）时间；Tton+toff为斩波电路的工作周期；为导通占空比，简称占空比或导通比，ton/T 当从0变到1时，输出电压平均值从零变到Ud，输入电流的平均值将是输出电流平均值的倍。可以看出，输出到负载的电压平均值UO与E及有关，可以通过改变来调节UO。v 其输出电压有效值为 EETtEdtTUontOon01dToUdtuTU2021（4-1）（4-2）8v 若认为斩波器（S）是无损的，则输入功率应与输出功率相等，即 （4-3）v 从直流电源侧看的等效电阻为 （4-4）RUdtRuTidtuTPdToToi202011RRUUIURddodi9三种控制方式v 据对输出电压平均值进行调制的方

5、式不同，斩波电路可以有三种控制方式。保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，缩写为，缩写为PWM）或脉冲调宽型）或脉冲调宽型。保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型频率调制或调频型ton和T都可调，使占空比改变，称为混合型混合型。其中脉宽调制方式应用最多，因为采用频率调制方式容易产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。10v图4-2 带感性负载斩波电路v当斩波器带感性负载时，应采用图4-2所示电路。图4-1和图4-2都是降压斩波电路。11第二节第二节 降压斩波电路降压斩波电路一、降一、降

6、压斩波压斩波电路工电路工作原理作原理二、主二、主要数量要数量关系关系12一、降压斩波电路工作原理v降压斩波电路（Buck Chopper）的原理图如图4-3（a）所示。该电路使用一个全控型器件V，图中所用为IGBT，也可以是其它器件。若采用晶闸管，则需设置使晶闸管关断的辅助电路。图中VD为续流二极管，其作用是在V关断时给负载中的电感电流提供通道。作为降压电路，其输出电压平均值Uo小于输入电压Ud。v通过电感中的电流可以连续，也可以不连续，取决于开关频率、滤波电感L和负载电流Io的大小。131.电感电流连续电感电流连续v在电路的输入端加电压后，需经过一段比较短的时间，才进入稳定工作状态。暂态过程

7、十分复杂，下面只分析稳态过程。v图4-3（b）给出了该电路的两种不同的电路工作模式，一个周期中其工作过程按时间了分成两个时间段，分别对应两个模式。14(1)工作模式工作模式1（0tt1=T）v 设t=0时刻，V管被激励导通，VD管要承受反压，故电流IVD迅速下降，而V管电流迅速上升。v 此过程开关时间很短，可认为瞬间完成。此时电路工作于模式1，如图4-3（b）所示。v 在V管接通的t1时间内，V管流过的电流就是电感电流，若假定这期间Uo不变，则电感L中的电流直线上升，能量储存于电感中。则有 1112tILtIILUUododUULIt1odUULIt1（4-5）（4-6）15（2）工作模式）工

8、作模式2（t1=TtT）v设t=t1时刻，控制V关断，电感电流经二极管VD续流，此时VD导通，电路工作于模式2，如图4-3（b）所示。v假设此时电感电流io按直线规律下降，电感释放能量。则有 2tILUooULIt)(2（4-7）（4-8）16v至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一个周期的过程。v为了使电流连续且脉动小通常使串联的电感L值较大，电路工作在稳态时可使负载电流在一个周期的初值和终值相等。电流连续时波形如图4-3（c）所示。172.电感电流断续电感电流断续v 若电路中L值较小或负载很轻或开关频率很低时，会发生电感电流iL在一个周期结束前就下降到零的情况。这样，每个周期开始时，iL

9、必然从零开始上升。这种情况就是不连续导电模式。v 在电流断续情况下，一个周期分三个时间段。其三个时段的等效电路如图4-4所示。电流不连续时工作波形如图4-5所示。18二、主要数量关系(连续)1.输出电压和输入电压的关系输出电压和输入电压的关系v 由式（4-5）可得电感上的峰-峰脉动电流为v 由式（4-7）又可得 v 两者相等，故有v 将t1=T，t2=（1-）T代入上式，既整理得 1tLUUIod2tLUIo21tLUtLUUooddoUU(4-11)(4-10)(4-9)(4-8)192.输出电流与输入电流的关系输出电流与输入电流的关系v假设斩波器是无损耗的，则有Pi=P0v其输入和输出功率

10、分别为v从而有v等式两边约去Ud，则有 RUUIPUIPoooodii2dooodiUIUIUIioII （4-12）203.电感的纹波电流电感的纹波电流v由式（4-9）和式（4-10）可得v因此开关时间T可表示为v （4-13）v由式（4-13）可得电感纹波电流表达式为v （4-14）v或 （4-15）oodUILtUUILt21及)()(121ododUUULUIttfTdodofLUUUUI)(fLUId)1(214.输出纹波电压输出纹波电压v因为iL=iC+io，若假定负载电流io的脉动电流很小而可忽略，则iL=iC。因为电容电流一周期的平均值为零，那么在t1/2+t2/2=T/2时间

11、里，电容充电或放电的电荷量为 （4-16）v因此，电容上电压峰-峰脉动值为 （4-17）v将式（4-14）或（4-15）代入式（4-17）得 （4-18）v或 （4-19）v根据I,UC和f以及其他要求（输入和输出），依据上述公式，可大概的确定L和C值。24TiQLfCICQUC8dodoCULCfUUUU28)(28)1(LCfUUdC22v 从波形图可以看出，要使电感电流不出现断续，电流峰-峰脉动值I必须大于输出电流的一半。令I=Io/2，可的电感电流连续式电感量临界值 （4-20）v 显然，当输入输出电压确定时，负载电流越大，维持电流连续所需电感量就越大，开关频率越高，电感量也可取得小。

12、当发生电感电流不连续时，输出电压的公式将与上面分析的结果大不相同。ododoIUTUUUL)(223第三节 升压斩波电路1一、升压斩一、升压斩波电路的工波电路的工作原理作原理2二、主要数二、主要数量关系量关系24v应用场合举例：应用场合举例：在有些便携式设备中，如笔记本电脑，内部不同元器件的工作电压可有多种，而供电电池电压只能是一种规格，这就需要直流电压变换，包括升压变换，以满足各元器件的工作电压要求。25一、升压斩波电路的工作原理v升压斩波电路（Boost Chopper）的原理图及工作波形如图4-6所示。电路中V为全控型器件电力MOSFET，也可以是其他器件。v在电感电流连续时，该电路也有

13、两种模式或者说每个周期有两个时段，如图4-6（b）所示。其工作波形如图4-6（c）所示。v本节将只讨论电感电流连续式的工作波形和数量关系。261、工作模式、工作模式1（0tt1=T）v 设t=0时刻，导通V。当V处于通态时，VD关断，电源Ud向电感充电，电感中的电流按线形规律从I1上升到I2，同时电容C上的电压向负载供电，电容上电压uC减小，电容上电流iC=-IO（假设负载上的电流基本恒定），电路模式及工作波形如图（4-6）所示。因此 （4-21）或 （4-22）1112tILtIILUddULIt)(1272、工作模式、工作模式2（t1=TtT）v 设t=t1时刻，关断V。当V处于断态时，V

14、D导通，Ud和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。若假定在此期间的电感电流仍按直线规律从I2下降到I1，则电容上电压uC增加，电容上电流iC=iL-IO，电路模式及工作波形如图（4-6）所示。则有 （4-23）或 （4-24）2tILUUdodoUULIt)(228二、主要数量关系(连续)v1.输出电压和输入电压的关系输出电压和输入电压的关系v 由式（4-21）和（4-23）可得 v 将t1=T，t2=（1-）T代入上式，既整理得 （4-26）v 上式中的（1-）1，输出电压高于电源电压，故称电路为升压斩波电路，也称为Boost变换器（Boost Converter）。LtUULtUIdo

15、d21)(1doUU29v 当从0趋近于1时，输出电压从Ud变到任意大。（1-）称为升压比，调节其大小，可改变输出电压U0的大小。将升压比的倒数记作，则+=1 v 因此，式（4-26）可表示为 (4-27)EEUo111302.输出电流与输入电流的关系输出电流与输入电流的关系v假设斩波器是无损耗的，则有Pi=P0v其输入和输出功率分别为v从而v有等式两边约去Ud，则有 （4-28）RUUIPUIPoooodii21dooodiUIUIUI)1(IIo313.电感的纹波电流电感的纹波电流v由式（4-22）和式（4-24）可得开关时间T可表示 （4-29）v由式（4-29）可得电感纹波电流表达式为

16、 （4-30）或 （4-31）)()(121dodoUUULUIttfTododfLUUUUI)(fLUId324.输出纹波电压输出纹波电压v若假定负载电流io的脉动电流很小而可忽略，那么在0，t1期间，电容上泄放的电荷量，反映了电容上电压峰-峰脉动值，即 （4-32）v由式（4-26）可得 （4-33）v将式（4-33）代入式（4-32）得 （4-34）或 （4-35）v由式（4-26）可知，升压斩波电路的输出电压U0大于电源电压E，其主要有两个原因：一是L储能后具有使电压泵升的作用，二是电容C值较大可将输出电压保持住。CtIdtICdtiCUototCC1001111fUUUtodo1od

17、ooCCfUUUIU)(CfIUoC33第四节第四节 升降压斩波电路升降压斩波电路一、升降压斩波一、升降压斩波电路工作原理电路工作原理二、主要数二、主要数量关系量关系34一、升降压斩波电路工作原理v升降压斩波电路（Boost-Buck Chopper）主要用于：主要用于：特殊的可调直流电源，这种电源具有一个相对于输入电压公共端为负极性的输出电压，此输出电压可以高于或低于输入电压 v升降压斩波电路原理图如图4-7（a）所示。在电感电流连续时，升降压斩波电路工作于如图4-7（b）所示的两种模式，同样指每个周期由两个时段。351、工作模式、工作模式1（0tt1=T）v 设t=0时刻，导通V。当V处于

18、通态时，VD反向偏置而关断，电源Ud经V向电感L供电使其贮存能量，电感中的电流按线形规律从I1上升到I2，同时电容C上的电压向负载供电，电容上电压uC减小，电容上电流iC=-IO（假设负载上的电流基本恒定），电路模式及工作波形如图（4-7）所示。因此 （4-36）v 或 （4-37）1112tILtIILUddULIt)(1362、工作模式、工作模式2（t1=TtT）v 设t=t1时刻，关断V。当V处于断态时，VD导通，L向电容C充电，并向负载R提供能量。因为此时电感电压等于负载电压，而极性为负，电感电流仍按直线规律从I2下降到I1，则电容上电压uC增加，电容上电流iC=iL-IO，电路模式及

19、工作波形如图（4-7）所示。则有 （4-38）或 （4-39）v 由上述分析可知，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，这种电路也称作反极性斩波电路。2tILUooULIt)(237二、主要数量关系二、主要数量关系（连续（连续）1.输出电压和输入电压的关系输出电压和输入电压的关系v由式（4-36）和（4-38）可得 （4-40）v将t1=T，t2=（1-）T代入上式，既整理得 （4-41）v上式可以看出，当0.5时，输出电压高于输入电压。所以此电路是一个升降压电路，也称为Boost-Buck变换器（Boost-Buck Converter）。LtULtUIod211doUU382.输出电

20、流与输入电流的关系输出电流与输入电流的关系v假设斩波器是无损耗的，则有Pi=P0v其输入和输出功率分别为v从而有v等式两边约去Ud，则有 （4-42）RUUIPUIPoooodii21dooodiUIUIUI)1(IIo393.电感的纹波电流电感的纹波电流v由式（4-37）和式（4-39）可得开关时间T可表示 （4-43）v由式（4-43）可得电感纹波电流表达式为 （4-44）v或 （4-45）oddoUUUULIttfT)()(121)(doodUUfLUUIfLUId404.输出纹波电压输出纹波电压v若假定负载电流io的脉动电流很小而可忽略，那么在0，t1期间，电容上泄放的电荷量，反映了电

21、容上电压峰-峰脉动值，即 （4-46）v由式（4-26）可得 （4-47）v将式（4-47）代入式（4-46）得 （4-48）或 （4-49）CtIdtICdtiCUototCC1001111fUUUtdoo)(1)(doooCUUCfUIUCfIUoC41第五节 Cuk斩波电路一、一、Cuk斩波电路斩波电路工作原理工作原理二、主要数量关系二、主要数量关系Cuk42一、Cuk斩波电路工作原理vCuk电路也是一种升降压混合电路，其输出电压极性与输入电压极性相反，电路如图4-8所示。v电路的稳定工作可按图4-8（b）所式的两种模式进行分析，其工作波形如图4-8（c）所示。431、工作模式、工作模式

22、1（0tt1=T）v 设t=0时刻，导通V。电路模式及工作波形如图（4-8）所示。当V处于通态时，VD反向偏置而关断，此时输入电压加在电感L1两端，电感储能，其电流线性增长（从IL11到IL12），即有 （4-50）或 （4-51）v 同时，在此期间，电容C1上的电压使VD管反偏置，并且通过负载和电感L2释放能量，负载获得反极性电压。有电路可知，在这种电路结构中，V管和二极管VD是同步工作的，即V管导通，VD截止；V管截止，VD则导通。111111121tILtIILULLddULIt111)(442、工作模式、工作模式2（t1=TtT）v 设t=t1时刻，关断V。当V处于断态时，VD导通，电

23、路模式及工作波形如图（4-8）所示。L1释放能量，向电容C1充电，电容两端平均电压大于输入电压，所以电感L1电流iL1下降，假设仍按直线规律下降（从IL12下降到IL11），则有 （4-52）或 （4-53）v 其中，UC1为电容C1上的平均电压值。2111tILUUCddCUULIt1112)(45v 下面分析电感L2中电流的变化情况，假定电感L2中电流的变化也是按线性规律进行的，而且连续，则在0，T期间有 (4-54)或 （4-55）v 在T，T期间有 （4-56）（4-57）1221212221tILtIILUULLoCoCUULIt1221)(222tILUooULIt222)(46二

24、、主要数量关系（连续连续）v1、输出电压和输入电压的关系、输出电压和输入电压的关系v 考虑式（4-50）和式（4-52），则有 （4-58）v 将t1=T，t2=（1-）T代入上式，既整理 （4-59）由式（4-54）和式（4-56）可得 （4-60）121111)(LtUULtUIdCd11dCUU222112)(LtULtUUIooC47v 将t1=T，t2=（1-）T代入上式，既整理得 （4-61）v 令式（4-59）等于式（4-61），则得 (4-62)v 式（4-62）的结果与Buck-Boost电路的是一样的。)21(1oCUU1doUU482、输出电流与输入电流的关系、输出电流与

25、输入电流的关系v按上节分析可得 （4-63）)1(IIo493.两个电感的纹波电流两个电感的纹波电流v由式（4-51）和式（4-53）可得开关时间T可表示为 （4-64）v由式（4-64）可得电感L1纹波电流表达式为 （4-65）或 （4-66）)()2()(1111121CddCdUUUUULIttfT)2()(1111CdCddUUfLUUUI11fLUId50v 由式（4-55）和式（4-57）可得开关时间T可表示为 （4-67）v 由式（4-67）可得电感L2纹波电流表达式为 （4-68）或 （4-69）)()2()(1112221oCoCoUUUUULIttfT1212)(CoCoU

26、fLUUUI22fLUId514.电容的峰电容的峰-峰脉动电压峰脉动电压v当V管关断时，对电容C1的充电电流平均值为IC1=I，故电容C1上电压峰-峰脉动值为 （4-70）v将t1=T，t2=（1-）T代入上式，既整理得 （4-71）或 （4-72）120101112211CItIdtCdtiCUttCCodCfUCIUU11fCIUC11)1(52v 若假定负载电流io的脉动可以忽略，即iL2=iC2，那么在T/2期间，通过C2的充电电流平均值为IC2=I2/4，故有 （4-73）v 将式（4-69）代入上式得 （4-74）v Cuk电路是借助电容来传输能量的，而Buck-Boost电路是借

27、助电感来传输能量的。当V导通时，两个电感的电流都要通过它，因此通过V管的峰值电流比较大。因为传输能量是通过C1，所以电容C1中的脉动电流也比较大。222/0222/02228)4/(11fCIdtICdtiCUTTCC22228fCLUUdC53第六节 降压式变换器SIMULINK仿真v降压式变换器的电路原理图如图4-9所示。工作时，可能出现的三种拓扑如图4-9(a)、(b)和(c)所示。v根据图4-9所示的工作拓扑，我们可以很容易得出图4-10所示的降压式变换器模型。54v电感电流过零以后，由于不能够变成负值，所以使用了一个Switch模板如图4-11所示。vSwitch模板设置的参数只有一

28、个Threshold(阈值)，当控制端2的值大于或等于Threshold时，输入端1与输出端连通，否则输入端3与输出端连通。v这样，在建立降压式变换器模型时，由于电感电流过零后将保持零，因此将Switch模板的输入端1和输入端2连接到电感电流的计算值，将输入端3接一个零值。55v仿真的参数如下：电感L200uH，电容C50bF，负载电阻R5，控制频率f10kHz。仿真结果如图4-12所示。5657图图4-1 基本降压斩波电路及其波形基本降压斩波电路及其波形（a）电路）电路 （b）波形（）波形（R负载）负载）58图图4-2 带感性负载斩波电路带感性负载斩波电路 59图图4-3 降压斩波电路及其波

29、形降压斩波电路及其波形（a）电路）电路（b）工作模式）工作模式 （c）电流连续时波形）电流连续时波形 60图图4-3 降压斩波电路及其波形（降压斩波电路及其波形（a）电路）电路61图图4-3 降压斩波电路及其波形（降压斩波电路及其波形（b）工作模式）工作模式62图图4-3 降压斩波电路及其波形（降压斩波电路及其波形（c）电流连续时波形）电流连续时波形63图图4-4 电流断续时等效电路电流断续时等效电路 64图图4-5 电流断续工作波形电流断续工作波形 65图图4-6升压斩波电路及其波形升压斩波电路及其波形（a）电路）电路 （b）工作模式）工作模式 （c）波形）波形 66图图4-6升压斩波电路及

30、其波形升压斩波电路及其波形（a）电路）电路67图图4-6升压斩波电路及其波形升压斩波电路及其波形（b）工作模式）工作模式68图图4-6升压斩波电路及其波形（升压斩波电路及其波形（c）波形）波形69图图4-7 升降压斩波电路及其波形升降压斩波电路及其波形（a）电路）电路 （b）工作模式）工作模式 （c）波形）波形70图图4-7 升降压斩波电路及其波形（升降压斩波电路及其波形（a）电路）电路71图图4-7 升降压斩波电路及其波形（升降压斩波电路及其波形（b）工作模式）工作模式72图图4-7 升降压斩波电路及其波形（升降压斩波电路及其波形（c）波形）波形73图图4-8 Cuk斩波电路及其波形斩波电路及其波形（a）电路）电路 （b）工作模式）工作模式 （c）波形）波形 74图图4-8 Cuk斩波电路及其波形（斩波电路及其波形（a）电路）电路75图图4-8 Cuk斩波电路及其波形（斩波电路及其波形（b）工作模式）工作模式76图图4-8 Cuk斩波电路及其波形（斩波电路及其波形（c）波形）波形77图图4-9 降压式变换器的电路原理图降压式变换器的电路原理图 78图图4-10降压式变压器模型图降压式变压器模型图 79图图4-11 Switch模板的参数说明模板的参数说明 80图图4-12 降压式变压器的仿真结果降压式变压器的仿真结果 81