1、1ppt课件12345复合型复合型DCDCDCDC变换器变换器 本章小结本章小结 6学习指导学习指导DC-DCDC-DC变换器换流及其特性分析变换器换流及其特性分析 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 基本内容本章习题本章习题2ppt课件 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。 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
2、，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 ）学习指导学习指导3ppt课件学习指导学习指导 理论上，按其变换功能可将DC-DC变换器分为以下4种基本类型：u 降压型（减流型）DC-DC变换器， 简称buck变换器u 升压型（增流型）DC-DC变换器， 简称boost变换器u 升降压型（增减流型）DC-DC变换器， 简称buckboost变换器u 降升压型（减增流型）DC-DC变换器， 简称boostbuck变换器4ppt课件学习指导学习指导 工程上，依据DC-DC变换器是否需要电气隔离，又可将其分为： u 有变压器的隔离型DC-
3、DC变换器u 无变压器的非隔离型DC-DC变换器 为讨论方便，本章所简称的buck变换器、boost变换器、buckboost变换器及boostbuck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变换器的基本原理及其特性。 5ppt课件学习指导学习指导 建议重点学习以下主要内容 DC-DC变换器基本电路构成的基本思路与换流分析 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
4、分析开关变换器的基础 （学会应用该特性进行定量分析） 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6ppt课件2.1 DC-DC2.1 DC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 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：u1u2w1w2)w/w(uu)dt/d(wu)dt/d(wu12122211如何改变直流电压？7ppt课件2.1 DC-DC
5、2.1 DC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 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 。 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 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。8ppt课件 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斩波器（Chopper） 当完成AC-AC变换时，称之为交流斩波器交流斩
6、波器（AC Chopper）；而当完成DC-DC变换时，则称之为直流斩直流斩波器波器（DC Chopper） 这种开关管按一定调制规律通断的控制为斩波控制斩波控制 2.1 DC-DC2.1 DC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构9ppt课件2.1 DC-DC2.1 DC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 斩波控制斩波控制按开关管调制规律的不同主要分为2种：u脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM） 这种控制方式是指开关管调制调制信号信号的周期固定不变周期固定不变，而开关管导通信号导通信号的宽度可调宽度可调u脉冲频率调制（脉冲频率调制（PFM） 这种控制方式是指开关管导通导通信号信号的宽度固
7、定不变宽度固定不变，而开关管调制信号调制信号的频率可调频率可调 在以上2种调制方式中，脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM）控制方式是电力电子开关变换器最常用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。10ppt课件2.1 DC-DC2.1 DC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 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型型 DC-DC变换器变换器 boost 型型 DC-DC变换器变换器 buck-boost型型 DC-DC变换器变换器 boost-buck型型
8、 DC-DC变换器变换器 以下分别讨论这类DC-DC变换器的基本结构。11ppt课件2.1.1 buck2.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构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相串联串联，当开关管VT导通导通时，输出电压等于输入电压，UoUi；而当开关管VT关断关断时，输出电压等于零，Uo0。得到的基本电压变换电路的输出电压波形如图3-1c所示。显然，若令输出电压的平均值为Uo则UoUi ，可见，图3-1a所示的电压变换电路实现了降压型DC-DC
9、变换器（buck电压变换器电压变换器）的基本变换功能12ppt课件DC-DC电流变换原理电路及输入、输出波形 2.1.1 buck2.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 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相并联并联，当开关管VT关断关断时，输出电流等于输入电流，即IoIi；而当开关管VT导通导通时，输出电流等于零，即Io0。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IoIi 。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（buc
10、k电流电流变换器变换器）的基本变换功能 13ppt课件2.1.1 buck2.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 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输出电压出电压和buck型电流变换电路的输出电流输出电流均是脉动脉动的，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）14ppt课件2.1.1 buck2.1.1 buck型型 DC
11、-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 为抑制输出电压脉动抑制输出电压脉动，可在图3-1a所示的基本原理电路中加入输出滤波元件输出滤波元件（如：电容C）如图3-2a所示 15ppt课件L2.1.1 buck2.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构为抑制输出电流脉动抑制输出电流脉动，可在图3-1b所示的基本原理电路中加入输出滤波元件输出滤波元件（如：电感L）如图3-2b所示 16ppt课件2.1.1 buck2.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构问题的提出分析已加入滤波环节的DC-DC电压电流变换器u输出滤波
12、元件输出滤波元件的加入必然使变换电路中开关管VT的电电压、电流应力增加压、电流应力增加u图3-2a所示的DC-DC去脉动电压变换器电路中，由于UoUi，当开关管 VT导通 时，电容电容C C将造成输入输出将造成输入输出短路短路，以至于开关管VT流入很大的短路电流短路电流而毁坏u图3-2b所示的DC-DC去脉动电流变换器电路中，由于IoIi，当开关管 VT断开 时，电感电感L L将感应出极高的将感应出极高的电压电压，从而使开关管VT过电压过电压而毁坏如何限制电压电流应力？为了限制开关管的电压、电流应力，可以考虑在电路中加入适当的缓冲环节缓冲环节（如缓冲电感，续流二极管，缓冲电容，箝位二极管）17
13、ppt课件L2.1.1 buck2.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 在图3-2a所示的buck型DC-DC电压变换电路中为了限制开限制开关管关管VTVT导通时的电流应力导通时的电流应力，则将缓冲电感缓冲电感L L串入串入开关管VT的支路中18ppt课件2.1.1 buck2.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 在上述改进基础上，为了避免避免开关管VT关断时缓冲电感关断时缓冲电感L L中电流的突变中电流的突变（减小电压应力），应再加入续流二极管加入续流二极管VDVD（为电感释放储存的能量提供通路，减缓电感电流变化
14、率）如图3-2c所示结构较为完善的buck型电压斩波器型电压斩波器 19ppt课件2.1.1 buck2.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 在图3-2b所示的buck型DC-DC电流变换电路中，为了限制限制开关管开关管VT关断时的电压应力关断时的电压应力，则将缓冲电容缓冲电容C并入并入开关管VT的两端 C20ppt课件2.1.1 buck2.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 为了避免开关管避免开关管VT导通时缓冲电容两端电压的突变导通时缓冲电容两端电压的突变（减少电流应力），应加入钳位二极管加入钳位二极管VD（
15、阻止电容放电）如图3-2d所示 结构较为完善的buck型电流斩波器型电流斩波器 21ppt课件2.1.1 buck2.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构DC-DC变换电路中的储能元件储能元件（电容、电感）有滤波滤波与能量缓冲能量缓冲两种基本功能：u滤波元件滤波元件常设置在变换器电路的输入或输出输入或输出u能量缓冲元件能量缓冲元件常设置在变换器电路的中间中间22ppt课件2.1.1 buck2.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 针对 图3-2c （图3-2d）所示的DC-DC电压（电流）变换电路u输入侧为恒压（恒流
16、）源输入侧为恒压（恒流）源，因此电路输入侧无需滤波电电路输入侧无需滤波电容（电感）容（电感）u电路的输出侧输出侧则由于脉动脉动而需要滤波。需要滤波。即图3-2c所示的电容C，图3-2d所示的电感L均起滤波作用。电压变换器与电流变换器是互补的结构23ppt课件2.1.1 buck2.1.1 buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 一般将上述所加入的 如图3-2 c）中的缓冲电感和续流二缓冲电感和续流二极管组成的电路极管组成的电路 或 如图3-2 d）中的缓冲电容和钳位二极缓冲电容和钳位二极管组成的电路管组成的电路统称为缓冲电路缓冲电路（或缓冲单元） 24ppt课件 2
17、.1.2 boost2.1.2 boost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构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降压变换的同时同时也完成了升流升流（boost）变换。同理buck型电流变换器在完成降流降流变换的同时同时也完成了升压升压（boost）变换。 boost型电压变换和buck型电流变换以及boost型电流变换和buck型电压变换存在功功能上的对偶性能上的对偶性。若已知某种
18、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对偶原理求出 25ppt课件 2.1.2 boost2.1.2 boost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 从图3-2c所示的buck型电压变换器电路出发，便可以导出boost型电流变换器电路 1)将输入电压源转化为电流源将输入电压源转化为电流源当变换器电路中开关管的开关管频率足够高时，图3-2c所示的buck型电压变换器电路中的输入电压源支路电压源支路可以用 并联并联电容的电流源电容的电流源 （Ci、Ii） 支路支路取代取代，如图3-3b所示 26ppt课件 2.1.2 boost2.1.2 b
19、oost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 2) 若令变换器电路中的开关管、二极管、电容、电感均为理想无损元件时，则图3-3b所示电路的输入功率等于输出功率即：Ui* IiUo*Io。由于该变换器电路的降压变换功能，使UoUi ，因此，IoIi boost型电流变换器电路 Uo Io27ppt课件 2.1.2 boost2.1.2 boost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 3)考虑到3-3b所示电路中滤波电感L的稳流作用以及该电路的电流电流变换功能，因此，输出滤波电容C是冗余元件，可以省略。 结构简化后的boost型电流变换器电路如图3-3d
20、所示28ppt课件 从图3-2d所示的buck型电流变换器电路出发，便可以导出boost型电压变换器 1）将输入电流源转化为电压源将输入电流源转化为电压源 当假设变换器电路中开关管的开关频率（单位时间内开关管的通断次数）足够高时，图3-2d所示的buck型电流变换器电路中的输入电流源支路电流源支路可以用串联电感的电压源（串联电感的电压源（Li、Ui）支路支路取代，如图3-3a所示 2.1.2 boost2.1.2 boost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构29ppt课件 2.1.2 boost2.1.2 boost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本
21、结构2）若令变换器电路中的开关管、二极管、电容、电感均为理想无损元件时，则图3-3a所示电路的输入功率应等于其输出功率，即ui* iiuo*io 。由于该变换器电路的buck型变换功能，使IoIi ，因此，uoui boost型电压变换器电路 Io Uo30ppt课件2.1.2 boost2.1.2 boost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构3)考虑到3-3a所示电路中滤波电容C的稳压作用以及该电路的电压电压变换功能，因此，输出滤波电感L是冗余元件，可以省略。 结构简化后的boost型电压变换器电路如图3-3c所示。31ppt课件2.1.3boost-buck2.1.
22、3boost-buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 以上构建了buck型、boost型变换器电路，那么如何在buck型、boost型变换器电路基础上构建boost-buck （升-降）型或buck-boost （降-升）型变换器呢？ 只要将buck型、boost型变换器电路相互串联串联并进行适当化简化简，即可构建boost-buck型或buck-boost型变换器 32ppt课件2.1.3boost-buck2.1.3boost-buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 构建boost-buck型电压变换器电路，可以考虑采用boost-b
23、uck串联结构 ：u 输入级输入级采用图3-3c所示的boost型电压型电压变换器电路u 输出级输出级采用图3-2c所示的buck型电压型电压变换器电路u 将boost型电压变换器电路的输出输出与buck型电压变换器电路的输入串联输入串联，串联时：输入级boost型电压变换器电路的输出负载省略输出负载省略，而输出级buck型电压变换器电路的输输入电压源省略入电压源省略，串联后的电压变换器电路如图3-4a所示 +33ppt课件 2.1.3boost-buck2.1.3boost-buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 图3-4a所示的boost-buck串联结构电路中
24、，由于存在两只开关管和两只二极管两只开关管和两只二极管，因而有必要省略冗余元件省略冗余元件以使电路简化 若假设两电路串联后的开关管VT1、VT2为同步斩波同步斩波开关管开关管，即开关管VT1、VT2同时通、断同时通、断，则有可能使电路得以进一步简化 34ppt课件2.1.3boost-buck2.1.3boost-buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 具体简化步骤 当开关管 VT1、VT2 导通时，所构成的两个独立的电流回路拓扑如图3-4b所示观察图3-4b所构成的两个独立的 电流回路 (开关管VT1、VT2导通)，并将VT1、VT2合并为VT1、2，所得等效电路
25、如图3-4d所示35ppt课件2.1.3boost-buck2.1.3boost-buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构当开关管VT1、VT2关断时，所构成的两个独立的电流回路拓扑如图3-4c所示观察图3-4c所构成的两个独立的电流回路(开关管VT1、VT2关断)，并将VD1、VD2合并为VD1、2，所得等效电路如图3-4e所示36ppt课件2.1.3boost-buck2.1.3boost-buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构综合分析图3-4d、3-4e所示等效电路 ， 并使所得变换器电路的输入输出有公共电位参考输入输出有公共电位参考
26、点点，简化后的基于boost-buck串联结构的boost-buck电压变换器电路如图3-4f所示 ( 需要注意：图3-4f所示的boost-buck电压变换器，虽然其电路结构得到了简化，但是变换器输入输出电压的极性则由原来的同向极性变为同向极性变为反向极反向极性性)由于是Slobodan Cuk 于1980年首次深入研究了boost-buck串联结构的变换器，因此，通常称boost-buck电压变换器为Cuk变换器变换器 37ppt课件2.1.3boost-buck2.1.3boost-buck型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 针对Cuk变换器输入输出电压反向极性的
27、不足，将Cuk变换器的输出环节或输出环节加以改造，可以得到输入输出电压同向极输入输出电压同向极性性的boost-buck型电压变换器，即所谓的Sepic变换器变换器和Zeta变变换器换器，如图3-5所示 Sepic变换器和Zeta变换器特征u Sepic变换器和Zeta变换器与Cuk变换器具有相同的稳态电压相同的稳态电压增益增益 M=D/(1-D)u Sepic变换器的输入输出电流连输入输出电流连续续(较易滤波)u Zeta变换器的输入电流则断续输入电流则断续Sepic变换器Zeta变换器38ppt课件 2.1.4buck2.1.4buckboosboost型型 DC-DCDC-DC变换器的基
28、本结构变换器的基本结构 构建buckboost型电压变换器，可以考虑采用buckboost串联 :u 输入级采用图3-2c所示的buck型电压变换器电路u 输出级则采用图3-3c所示的boost型电压变换器电路u 将buck型电压变换器电路的输出与boost型电压变换器电路的输入串联。串联时：输入级buck型电压变换器电路的输出负载省略，而输出级boost型电压变换器电路的输入电压源省略，两级变换器串联后的电路如图3-6a所示 +39ppt课件 2.1.4buck2.1.4buckboostboost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 图3-6a所示的buckboost
29、串联结构电路中，由于存在两只开关管和两只两只开关管和两只二极管二极管，因而有必要省略省略冗余元件冗余元件以简化电路 同上分析，若假设两电路串联后的开关管VT1、VT2为同步斩波开关管同步斩波开关管，即开关管VT1、VT2同时通、断，则有可能使电路得以进一步简化 40ppt课件2.1.4buck2.1.4buckboosboost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 具体简化步骤 首先将图3-6a中VT1、VT2之间的T型储能网络中的电容省略，并合并L1、L2为L12，如图3-6b所示 合并后的VT1、VT2之间的储能电感L12仍能使串联后的两级电压变换器电路正常工作 41
30、ppt课件2.1.4buck2.1.4buckboosboost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构当开关管VT1、VT2导通时，所构成的两个独立的电流回路拓扑如图3-6c所示 观察图3-6c所构成的两个独立的电流回路(开关管VT1、VT2导通)，并将VT1、VT2合并为VT12，所得等效电路如图3-6d所示；VT1242ppt课件 当开关管VT1、VT2关断时，所构成的两个独立的电流回路拓扑如图3-6e所示 观察图3-6e所构成的两个独立的电流回路(开关管VT1、VT2关断)，并将VD1、VD2合并为VD12，所得等效电路如图3-6f所示 VD12C22.1.4buck
31、2.1.4buckboosboost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构43ppt课件2.1.4buck2.1.4buckboosboost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 综合分析图3-6d、3-6f所示等效电路，并使所得变换器电路的输入输出有公共电位参考点公共电位参考点，因此，简化后的基于buck-boost串联结构的buck-boost电压变换器电路如图3-6g所示 (需要注意：图3-6g所示的buck-boost电压变换器，虽然其电路结构得到了简化，但是变换器输入输出电压的极性则由原来的同向极性变为同向极性变为反向极性反向极性)44ppt
32、课件2.1.4buck2.1.4buckboostboost型型 DC-DCDC-DC变换器的基本结构变换器的基本结构 对比图3-4f、3-6g所示的boost-buck型电压变换器和buck-boost型电压变换器电路可以看出?u 两者的输入输出电压极性均为反均为反向极性向极性u 相对于boost-buck型电压变换器电路，buck-boost型电压变换器电路结构简单结构简单，并且其中的储能元储能元件件也较少较少u buck-boost型电压变换器的输入和二极管输出电流均为断续的脉动断续的脉动电流电流;而boost-buck型电压变换器中由于输入输出均有电感，因此变换器的输入输出电流一般情况
33、变换器的输入输出电流一般情况下均为连续电流下均为连续电流（轻载时电流可能断续）boost-buck型电压变换器buck-boost型电压变换器45ppt课件2.2 DC-DC2.2 DC-DC变换器换流及其特性分析变换器换流及其特性分析问题的提出 在讨论了如何根据输入输出的变换要求来构建DC-DC变换器的基本电路之后，那么在实际应用中如何根据具体的DC-DC变换器电路来分析其基本换流过程以及基本的输入输出关系呢？ (说明：1.考虑到实际应用及电流变换器和电压变换器的对偶关系,以下主要研究DC-DC电压变换器电压变换器，分别简称为buck变换器、boost变换器、buck-boost变换器、bo
34、ost-buck变换器 2.各DC-DC变换器的开关调制均采用PWM控制控制 ）？46ppt课件2.2 DC-DC2.2 DC-DC变换器换流及其特性分析变换器换流及其特性分析 为简化各类DC-DC变换器的基本特性分析，所讨论的变换器均为理想变换器理想变换器，且满足以下理想条件： 1)开关管、二极管瞬间通断瞬间通断，且无通态和开关损耗无通态和开关损耗 2)电容、电感均为无损耗的理想储能元件无损耗的理想储能元件 3)线路阻抗为零线路阻抗为零 4)开关频率足够高，每个开关周期中的电感电流、电容电每个开关周期中的电感电流、电容电压近似不变压近似不变47ppt课件2.2.12.2.1开关变换器中电容、
35、电感的基本特性开关变换器中电容、电感的基本特性 根据开关变换器的理想条件： 每个开关周期Ts中（ Ts= ton+toff ，其中：Ts为开关周期；ton为开关导通时间；toff为开关关断时间）,变换器中的电感电流、电容电压保持恒定，且无任何损耗 可得开关变换器中电容、电感的基本特性： 提示：对于电容有iC=CduC/dt uC =(1/C) iCdt 对于电感有uL=LdiL/dt iL =(1/L) uLdt 48ppt课件2.2.12.2.1开关变换器中电容、电感的基本特性开关变换器中电容、电感的基本特性 (1)电感电压的电感电压的伏秒平衡特性伏秒平衡特性 稳态条件稳态条件下，理想开关变
36、换器中的电感电压必然周期性重电感电压必然周期性重复复，由于每个开关周期中电感的储能为零每个开关周期中电感的储能为零，并且电感电流电感电流保持恒定保持恒定I=0，因此，每个开关周期中电感电压UL的积的积分恒为零分恒为零，即：即： 0dtdtdt00TstLtLTsLononuuu49ppt课件2.2.12.2.1开关变换器中电容、电感的基本特性开关变换器中电容、电感的基本特性 (2)电容电流的电容电流的安秒平衡特性安秒平衡特性 稳态条件稳态条件下，理想开关变换器中的电容电流必然周期性重电容电流必然周期性重复复，而，而每个开关周期中电容的储能为零每个开关周期中电容的储能为零，并且电容电压保电容电压
37、保持恒定持恒定U=0，因此，每个开关周期中电容电流IC的积分恒为零，即： TsttTsononiiidtdtdtc0c0c50ppt课件2.2.2 buck2.2.2 buck变换器换流及其特性分析变换器换流及其特性分析 -2.2.2.1 buck-2.2.2.1 buck变换器的换流状态变换器的换流状态 buck变换器的电路结构如图3-7a所示,根据其中开关管和二极管不同的通断组合，可形成不同的换流状态，buck变换器不同换流状态时的换流电路如图3-7所示 图3-7b所示开关状态1时的换流电路开关管VT导通时，二极管VD承受反压而关断，此时，输入电源通过电感L向负载传输能量，因此Ii增加，从
38、而使电感L中的磁能亦增加 51ppt课件2.2.2.1 buck2.2.2.1 buck变换器的换流状态变换器的换流状态 图3-7c所示开关状态2 时的换流电路 开关管VT关断，由于电感电流不能突变，从而使二极管VD导通，而续流电感L向负载释放能量，Ii减少 图3-7d所示开关状态3时的换流电路 与电流连续时情况不同，当电感L电流衰减到零以前，若开关管VT还未导通，则电感电流断续，此时，开关管VT、二极管VD全都关断，并仅由电容向负载提供能量 52ppt课件2.2.2.1 buck2.2.2.1 buck变换器的换流状态变换器的换流状态电路工作状态的定义注意：所谓“电流的连续或断续”是指变换器
39、缓冲元件指变换器缓冲元件中电流的连续或断续中电流的连续或断续。如图3-7 所示buck变换器中的缓冲元件为电感L，因此讨论buck变换器的电流连续或断续工作状态是针对其中的电感针对其中的电感L而言而言的u当电感电流iL 0时，buck变换器工作在电流连续状态u当一段时间中存在iL0，则buck变换器工作在电流断续状态u若只有一瞬时时刻存在iL0，则buck变换器工作在临界状态(临界状态是电流连续状态的一种特例) 53ppt课件2.2.2.1 buck2.2.2.1 buck变换器的换流状态变换器的换流状态 图3-7b,图3-7c所示开关状态开关状态1 、2对应的换流表示了buck变换器电流连续
40、电流连续时的工作过程 图3-7b,图3-7c，图3-7d所示开关状态开关状态1、2 、3对应的换流表示了buck变换器电流断续电流断续时的工作过程54ppt课件2.2.2.1 buck2.2.2.1 buck变换器的换流状态变换器的换流状态buck变换器中电感电流连续电感电流连续时的相关波形如图3-7e所示 55ppt课件2.2.2.1 buck2.2.2.1 buck变换器的换流状态变换器的换流状态 buck变换器中电感电流断续电感电流断续 时的相关波形如图3-7f所示 56ppt课件1稳态电压增益GV buck变换器的稳态电压增益是指：稳态条件下，变换器输出平均电压Uo与输入平均电压Ui的
41、比值，即GVUo/Ui 由于buck变换器中的缓冲元件是电感L，因此对电感L利用 伏秒平衡特性伏秒平衡特性进行分析得出 式（3-3） 令PWM占空比D= ton/ Ts，则从上式可求出buck变换器的电感电流连续时的稳态电压增益GV ioonoson()()UU TU Tt-=- 2.2.2.2 2.2.2.2 电流连续时的电流连续时的buckbuck变换器变换器 基本特性分析基本特性分析57ppt课件 由于D1，即buck变换器的稳态电压增益GV1，因此buck变换器具有降压变换特性 由于buck变换器的稳态输出平均电压与占空比D成正比，因此，buck变换器的稳态输出平均电压可由占空比D控制
42、 oonVisUtGDUT=式（3-4） 2.2.2.2 2.2.2.2 电流连续时的电流连续时的buckbuck变换器变换器 基本特性分析基本特性分析58ppt课件2.稳态电感电流脉动量 由于有限的电感和有限的开关频率稳态条件下，buck变换器的电感电流实际上是脉动的，如图3-7e所示 当t0时，开关管VT导通，若电容C足够大，此时，电容电压近似不变，而电感电流iL线性增加 2.2.2.2 2.2.2.2 电流连续时的电流连续时的buckbuck变换器变换器 基本特性分析基本特性分析59ppt课件 当tD Tston时，电感电流iL增加至最大值ILmax。根据电感的电压、电流关系即uL=Ld
43、iL/dtLiL/t，容易导出t0ton期间（开关管VT导通）的电流增量iL为 LDTUUtLUUisoionoiL)(式（3-6） 2.2.2.2 2.2.2.2 电流连续时的电流连续时的buckbuck变换器变换器 基本特性分析基本特性分析60ppt课件 当tton时，开关管VT关断若电感L、电容C足够大，此时，电容电压近似不变，而电感电流iL线性减小 当tTs时，电感电流iL减小至最小值ILmin。ttonTs期间（开关管VT关断）的电流增量iL-为 式（3-7）LTDUtTLUisoonsoL)1 ()( 2.2.2.2 2.2.2.2 电流连续时的电流连续时的buckbuck变换器变
44、换器 基本特性分析基本特性分析61ppt课件soLoLmax)1 (2121TDLRRUiIIsoLoLmin)1 (2121TDLRRUiII式（3-8）式（3-9）稳态时，iL+iL-iL且电容C的平均电流为零，因此，电感电流最大值ILmax、最小值ILmin分别为 2.2.2.2 2.2.2.2 电流连续时的电流连续时的buckbuck变换器变换器 基本特性分析基本特性分析62ppt课件 2稳态电流增益GI buck变换器的稳态电流增益是指：稳态条件下，变换器输出平均电流Io与输入平均电流Ii的比值，即GIIo/Ii。 由于讨论的是无损的理想变换器，因此，变换器的输入、输出功率平衡，即I
45、i Ui=Io Uo，这样，通过式（3-4）容易求出buck变换器电感电流连续时的的稳态电流增益GI为 式（3-5）oiIio1IUGIUD= 2.2.2.2 2.2.2.2 电流连续时的电流连续时的buckbuck变换器变换器 基本特性分析基本特性分析63ppt课件 从式（3-5）不难看出：由于D1，即buck变换器的稳态电流增益GI1，因此，buck变换器具有增流变换特性 因为buck变换器的稳态输出平均电流Io与占空比D成反比因此，buck变换器的稳态输出平均电流可由占空比D控制 2.2.2.2 2.2.2.2 电流连续时的电流连续时的buckbuck变换器变换器 基本特性分析基本特性分
46、析64ppt课件4开关管VT的电流、电压的定量关系 流过开关管VT的平均电流IS和buck变换器的输入平均电流Ii相等，即ISIiD Io； 流过开关管VT的最大电流ISmax和变换器电感电流最大值ILmax相等，即ISmaxILmax； 流过开关管VT的最小电流ISmin和变换器电感电流最小值ILmin相等，即ISminILmin； 开关管关断时所承受的正向电压正向电压等于变换器的输入电压 2.2.2.2 2.2.2.2 电流连续时的电流连续时的buckbuck变换器变换器 基本特性分析基本特性分析65ppt课件5二极管VD的电流、电压定量关系 由于二极管VD与开关管VT互补通断，且ISD
47、Io，流过二极管VD的平均电流ID满足： ID（1D）Io 流过二极管VD的最大电流IDmax和变换器电感电流最大值ILmax相等，即IDmaxILmax； 流过二极管VD的最小电流IDmax和变换器电感电流最小值ILmin相等，即IDmax ILmin ； 二极管VD截止时所承受的反向电压反向电压等于变换器的输入电压 2.2.2.2 2.2.2.2 电流连续时的电流连续时的buckbuck变换器变换器 基本特性分析基本特性分析66ppt课件 6稳态输出电压脉动量 由于有限的输出电容和有限的开关频率，因此，稳态条件下，buck变换器的输出电压uo存在脉动，如图3-7e所示 根据电容电压与电容电
48、荷量之间的正比关系，输出电压脉动输出电压脉动量量Uo应与电容电荷脉动量应与电容电荷脉动量Q成正比成正比，即UoQ/C。求取输出电压脉动量Uo，关键在于求取电容电荷脉动量Q，而电容电荷量的脉动是由电容充电容电荷量的脉动是由电容充放电所致放电所致 2.2.2.2 2.2.2.2 电流连续时的电流连续时的buckbuck变换器变换器 基本特性分析基本特性分析67ppt课件 根据buck变换器的电路结构，当电感电流iLIo时，输出电容充电，反之则放电。由于电容电荷量是电容电流对电容电荷量是电容电流对时间的积分时间的积分，而稳态时电容的平均电流为零稳态时电容的平均电流为零，分析易得电容电荷变化量为： Q
49、(iL/2)/2( Ts/2)iL/（8fs） 综合以上分析，由于开关频率fs1/Ts且iLiL-iL，考虑式（3-7） buck变换器的稳态输出电压脉动量Uo：2soo8)1 (LCfUDCQU 2.2.2.2 2.2.2.2 电流连续时的电流连续时的buckbuck变换器变换器 基本特性分析基本特性分析68ppt课件 1稳态电压增益GV 令buck变换器中的二极管续流时间为toff1，则在iL0的时间段对电感L利用伏秒平衡特性伏秒平衡特性进行分析，不难得出 式（3-11） 令二极管续流占空比D1= toff1/Ts，则从式（3-11）可求出buck变换器电感电流断续时的稳态电压增益GV为
50、式（3-12）（off1onoonittUtU11offononiotttDDDUUGV 2.2.2.3 2.2.2.3 * * 电流断续时的电流断续时的buckbuck变换器变换器 基本特性分析基本特性分析69ppt课件2.2.3 boost2.2.3 boost变换器换流及其特性分析变换器换流及其特性分析 -2.2.3.1 boost-2.2.3.1 boost变换器的换流状态变换器的换流状态 boost变换器的电路结构如图3-8a所示，根据其中的开关管和二极管不同通断组合时，可形成不同的换流状态，boost变换器不同换流状态时的换流电路如图3-8所示 图3-8b所示开关状态1时的换流电路
