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1、1,电力电子学电力电子变换和控制技术（第三版）,第三章 直流/直流变换器,3.1 直流/直流降压变换器(Buck变换器)3.2 直流/直流升压变换器(Boost变换器)3.3 直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器)3.4 直流升压-降压变换器(Cuk变换器)3.5 带隔离变压器的直流/直流变换器,第三章 直流/直流变换器,3.1 直流/直流降压变换器(Buck变换器)3.2 直流/直流升压变换器(Boost变换器)3.3 直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器)3.4 直流升压-降压变换器(Cuk变换器)3.5 带隔离变压器的直流/直流变换器,Buck变换器的推导工作原理
2、外特性 元器件选择和设计,3.1 Buck变换器,Buck变换器的推导工作原理外特性 元器件选择和设计,3.1 Buck变换器,Ui = 100V Uo = 50V Io = 10A,设计要求：,直流变换器,Ui = 100V Uo = 50V Io = 10A,设计要求：,直流变换器：电阻分压, = UoIo/UiIo = Uo/Ui = 50/100 = 50%,Ploss =5010 =500(W),UR = 100-50 =50(V), 效率太低!,无法自动稳压!,Ui = 100V Uo = 50V Io = 10A,设计要求：,直流变换器：线性模式, = UoIo/UiIo = U
3、o/Ui = 50/100 = 50%,UQ = 100-50 =50(V), 效率太低!,无法自动稳压!,PQ = UQ IQ = 5010 =500(W),可以自动稳压!,Ui = 100V Uo = 50V Io = 10A,设计要求：,直流变换器：开关模式,Ton：导通时间Ts： 开关周期D： 占空比,50V,Ui = 100V Uo = 50V Io = 10A,设计要求：,Q on: PQ(on) = Vces Io 0, 100%,Ploss 0,Q off: PQ(off) = Vin Iceo 0,直流变换器：开关模式,可以自动稳压!, 效率很高！,滤波器,续流二极管,D,B
4、uck变换器,Buck变换器的推导工作原理外特性 元器件选择和设计,3.1 Buck变换器,Q ON,工作原理：电感电流连续,A,B,Q OFF,工作原理：电感电流连续,A,B,输入电压与输出电压之间的关系,工作原理：电感电流连续,占空比,脉冲宽度调制(Pulse-Width Modulation),脉冲频率调制Pulse-Frequency Modulation,输出电流平均值,滤波电感电流脉动值,Q：当Ui和Uo一定时，如果负载 电流变化，电感电流脉动是 否变化？,工作原理：电感电流连续,A：不变！,工作原理：电感电流断续,Buck变换器的推导工作原理外特性 元器件选择和设计,3.1 Bu
5、ck变换器,电感电流临界连续,电感电流连续临界电流值，即负载最小电流：,电感电流临界连续,电感电流断续,输出平均电流：,Buck变换器的外特性,外特性：,电感电流连续时：,电感电流断续时：,Q：如果Ui和占空比 不变，当电感电流断 续时，为何Uo升高？,Buck变换器的推导工作原理外特性 元器件选择和设计,3.1 Buck变换器,Buck变换器的元器件参数选择,已知条件： 输入电压Ui(变化范围) 输出电压Uo 输出电流Io 输出电压稳定精度 输出电压纹波,元器件参数选择： 功率晶体管 二极管 滤波电感 滤波电容,变换效率的近似计算,双极性晶体管,如果fs20kHz，可近似认为其导通损耗等于开
6、关损耗。,功率MOSFET,如果fs100kHz，可忽略其开关损耗。,功率晶体管选择：类型,开关频率,晶体管类型选择,功率管类型,50kHz,低频功率管,开关功率管,功率MOSFET,如果功率较大，可选用IGBT。,功率晶体管电压和电流应力,平均电流：,峰值电流：,电压应力：,功率晶体管,ICM 2IQP,U(BR)ceo 2Ui,二极管类型选择,开关二极管、快恢复二极管或者FRED；,二极管类型选择,输出电压较低时，如5V以下，需要采用功率MOSFET来替 代整流二极管，即同步整流。,电压低于40V时，可选用肖特基二极管；,二极管电压和电流应力,平均电流：,有效值电流：,电压应力：,UDR
7、2Ui,滤波电感量的计算,ILf过小，Lf太大。,ILf过大，Lf太损耗太大，且Uo脉动大。,工程上一般取ILf=20%Io。,在10%Io时，电感电流连续。,滤波电容量的计算,输出电流脉动很小,ILf全部流过电容,第三章 直流/直流变换器,3.1 直流/直流降压变换器(Buck变换器)3.2 直流/直流升压变换器(Boost变换器)3.3 直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器)3.4 直流升压-降压变换器(Cuk变换器)3.5 带隔离变压器的直流/直流变换器,Boost变换器的推导工作原理外特性 元器件选择和设计,3.2 Boost变换器,Boost变换器的推导,Boost变换器
8、的推导工作原理外特性 元器件选择和设计,3.2 Boost变换器,Q ON,电感电流连续(1),Q OFF,电感电流连续(2),输入电压与输出电压之间的关系,电感电流连续(3),电感电流断续(1),Boost变换器的推导工作原理外特性 元器件选择和设计,3.2 Boost变换器,电感电流临界连续(1),电感电流连续临界电流值，即负载最小电流：,电感电流临界连续(2),电感电流断续,输出平均电流：,Boost变换器的外特性,外特性：,电感电流连续时：,电感电流断续时：,Boost变换器的推导工作原理外特性 元器件选择和设计,3.2 Boost变换器,平均输入电流：,峰值电流：,电压应力：,功率晶
9、体管,ICM 2IQP,U(BR)ceo 2Uo,功率晶体管,有效值电流：,电压应力：,平均电流：,二极管,UBR 2Uo,电感量：,升压电感,临界连续输出电流：,Ui恒定,电容量：,滤波电容,输出电压纹波：,第三章 直流/直流变换器,3.1 直流/直流降压变换器(Buck变换器)3.2 直流/直流升压变换器(Boost变换器)3.3 直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器)3.4 直流升压-降压变换器(Cuk变换器)3.5 带隔离变压器的直流/直流变换器,Buck-Boost变换器的推导工作原理 元器件选择和设计,3.3 Buck-Boost变换器,Buck-Boost变换器的推导
10、(1),Uo Ui,Buck-Boost变换器的推导(2),Buck-Boost变换器的推导(3),Buck-Boost变换器的推导工作原理 元器件选择和设计,3.3 Buck-Boost变换器,Q导通,Q关断,输入输出关系,D0.5，Uo0.5，UoUi,Buck-Boost变换器的推导工作原理 元器件选择和设计,3.3 Buck-Boost变换器,输入电流：,电感电流平均值：,电压应力：,功率晶体管,输出电流：,功率晶体管,电流平均值：,电流最大值：,二极管,有效值电流：,电压应力：,平均电流：,电感量：,电感,电感电流脉动：,电容量：,滤波电容,输出电压纹波：,第三章 直流/直流变换器,
11、3.1 直流/直流降压变换器(Buck变换器)3.2 直流/直流升压变换器(Boost变换器)3.3 直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器)3.4 直流升压-降压变换器(Cuk变换器)3.5 带隔离变压器的直流/直流变换器,Cuk变换器的推导工作原理 元器件选择和设计电流断续模式耦合电感的Cuk变换器隔离式Cuk变换器,3.4 Cuk变换器,Cuk变换器的推导(1),镜像翻转,滤波电容和二极管交换位置, Cf和Q改变位置 Lf移到上面,Buck/Boost变换器的推导(2),Buck/Boost变换器的推导(3),共用Q、D、Cf,Cuk变换器的推导工作原理 元器件选择和设计电流断
12、续模式耦合电感的Cuk变换器隔离式Cuk变换器,3.4 Cuk变换器,Q导通,Q关断,输入输出关系,Cuk变换器的推导工作原理 元器件选择和设计电流断续模式耦合电感的Cuk变换器隔离式Cuk变换器,3.4 Cuk变换器,电压应力：,功率晶体管,电流平均值：,电流最大值：,二极管,有效值电流：,电压应力：,平均电流：,电感,电感L1的电流脉动：,电感L2的电流脉动：,电容,电容C1的选择：,电容C2的选择：,Q导通，C1放电；Q截止，C1充电。,与Buck变换器类似,Cuk变换器利用C1进行能量传递，充放电电流很大，因此要选择低损耗的高频电解电容。,Cuk变换器的推导工作原理 元器件选择和设计电
13、流断续模式耦合电感的Cuk变换器隔离式Cuk变换器,3.4 Cuk变换器,电流断续模式,Cuk变换器的推导工作原理 元器件选择和设计电流断续模式耦合电感的Cuk变换器隔离式Cuk变换器,3.4 Cuk变换器,耦合电感的Cuk变换器,电感脉动,Cuk变换器的推导工作原理 元器件选择和设计电流断续模式耦合电感的Cuk变换器隔离式Cuk变换器,3.4 Cuk变换器,隔离式Cuk变换器,9.1.5 Zeta变换器和Sepic变换器,Zeta变换器,Sepic变换器*,输入输出同极性！,Zeta变换器和Sepic变换器,Sepic: Single-ended primary inductance con
14、verterR.P.Massey, and E.C. Snyder, “High-voltage single-ended dc-dc converter,” in Proc.IEEE PESC, 1977, pp.156-159,6种基本变换器的比较,Buck,Boost,Buck-Boost,Cuk,Zeta,Sepic,Converter,Voltage Conversion Ratio,Output Voltage Polarity,Input Current Ripple,Output Current Ripple,+,+,+,+,_,_,Large,Small,Configu-ration,Simple,Simple,Simple,Complex,Complex,Complex,Large,Large,Large,Large,Small,Small,Small,Small,Small,Large,Topology,第三章 直流/直流变换器,3.1 直流/直流降压变换器(Buck变换器)3.2 直流/直流升压变换器(Boost变换器)3.3 直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器)3.4 直流升压-降压变换器(Cuk变换器)3.5 带隔离变压器的直流/直流变换器,正激变换器的推导工作原理基本数量关系,3.5.1 正激(Forward)变换器,
