《二讲一基本开关型变换器主电路拓扑论述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《二讲一基本开关型变换器主电路拓扑论述（55页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 2 章 直流/直流变换器 主电路拓扑,开关电源,基本构成方框图,DC/DC变换器,直流/直流变换器拓扑,1 直流/直流降压变换器（Buck DC/DC 变换器） 2 直流/直流升压变换器（Boost DC/DC 变换器） 3 直流升压降压变换器（Boost-Buck变换器或Cuk变换器） *4 两象限、四象限直流/直流变换器 *5 多相、多重直流/直流变换器 6 带隔离变压器的直流/直流变换器 小结,1.1 降压变换器（Buck DC/DC 变换器）,1.1.1 电路结构和调压、降压原理 1.1.2 电感电流连续时工作特性 1.1.3 电感电流断流时工作特性,降压变换如何实现？,1.1.1
2、 电路结构和调压、降压原理,1.理想化处理 2.调压原理分析 3.控制方式分类 4.输出电压LC滤波分析,1. 理想的电力电子电路,为获得开关型变换器的基本工作特性，简化分析，假定的理想条件是： （1）开关管T和二极管D从导通变为阻断，或从阻断变为导通的过渡过程时间均为零；（暂不考虑开关频率） （2）开关器件的通态电阻为零，电压降为零。断态电阻为无限大，漏电流为零；（暂不考虑功耗） （3）电路中的电感和电容均为无损耗的理想储能元件； （4）线路阻抗为零。电源输出到变换器的功率等于变换器的输出功率。（无功耗、无谐波干扰）,2. 调压、降压原理,对开关管T加驱动信号VG ,开关周期为T,VG0,
3、T管导通,开关管T导通,VG=0, T管阻断,在稳定输出工作期间：,开关管T截止,计算法二：输出电压谐波计算法,变压比为M,n次谐波幅值,输出电压的直流平均值,2. 变压比、导通比的定义,变压比与电路结构和导通比D都有关系，它们之间的关系可用多种方法推导。,导通比（占空比）：,变压比 ：,计算法三：用波形积分的方法求变压比,vEO的直流分量V0为:,用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量,周期性函数可以分解为无限项三角级数傅立叶级数：,用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量,周期性函数可以分解为无限项三角级数傅立叶级数：,F(t)也可表达为：,3.控制方式,改变开关管T的导通时间，即改变导通占空比D
4、，即可改变变压比M, 调节或控制输出电压VO。 (1) 脉冲宽度调制方式 PWM (Pulse Width Modulation) 开关频率不变，改变输出脉冲电压的宽度 (2) 脉冲频率调制方式 PFM（Pulse Frequency Modulation） 脉宽 不变，改变开关频率或周期。,为什么实际应用中广泛采用PWM方式？,问题思考,4.输出电压LC滤波,滤波电感的作用： 对交流高频电压电流呈高阻抗，对直流畅通无阻 滤波电容的作用： 对直流电流阻抗为无穷大，对交流电流阻抗很小。,直流输出电压中含有各次谐波电压，在Buck开关电路的输出端与负载之间加接一个LC滤波电路，减少负载上的谐波电压
5、。,如何选取LC？,问题思考,滤波器电抗对谐波的阻抗为： L,滤波器电容对谐波的阻抗为：1/C,如果：,各谐波经过滤波器后几乎衰减为零。 直流量通过滤波器时其大小不受任何影响。,滤波,电容C在一个开关周期内的充、放电电荷为：,输出电压中纹波量,1.1.2 电感电流连续时工作特性,Buck变换器有两种可能的运行状况： （1）电感电流连续模式 CCM(Continuous Current Mode)： 指电感电流在整个开关周期中都不为零； （2）电感电流断流模式 DCM（Discontinuous Current Mode）： 指在开关管T阻断期间内经二极管续流的电感电流已降为零。 二者的临界：
6、称为电感电流临界连续状态： 指开关管阻断期结束时，电感电流刚好降为零。,1.电流连续时只有两种开关状态,(2) 开关状态2：T管阻断, D管导通,(1) 开关状态1：T管导通,D管阻断,电流连续模式跟哪些因素有关?,电感电压与电感电流方向为非关联，所以有“-”负号,问题思考,1.1.3 电感电流断流时工作特性,1. 三种开关状态和变压比 2. 临界负载电流 3. BUCK变换器输出电压外特性,存在第三种状态 :T、D都截止。 变压比,1. 三种开关状态和变压比,开关管T开通时,开关管T关短，续流管D导通,电路稳定输出时,一般情况下，D2不如D1表示方便，用D1表示M的推导如下：,参教材P8图1
7、-5，,断续和连续临界点的确定,D选择：,开关管T选择：,Buck变换电路的特点,优点： 1、连续续流工作时，都有电流对负载补能，因此，输出电压脉动小，带负载能力强； 2、续流二极管的反偏电压等于输入电压，对开关管反向耐压和续流管耐压要求不高； 缺点： 1、Ii工作是不连续的，对电源不利，对滤波电路有要求； 2、开关管T与负载串接，如T击穿，负载电压加大，存在安全隐患，需要保护电路；,3. Buck变换器输出电压外特性,变换器的变压比（或输出电压）与占空比和负载电流的函数关系称为外特性。 电感电流连续时，变压比等于占空比，输出电压与负载电流无关。控制特性是线性的。 在电感电流断流的情况下，控制
8、特性是非线性的。 外特性从线形到非线形的转折点由临界负载电流确定。,设Buck DC/DC变换器如下图。电源电压Vs=147220V，额定负载电流11A，最小负载电流1.1A，开关频率20KHz。要求输出电压Vo=110V；纹波小于1%。要求最小负载时电感电流不断流。计算输出滤波电感L和电容C，并选取开关管T和二极管D。,例1,2. 直流-直流升压变换器（Boost变换器）,2.1 电路结构和升压原理 2.2 电感电流连续时工作特性 2.3 电感电流断流时工作特性,2.2.1 电路结构和升压原理,2.2.2 电流连续时的工作特性,两种开关状态 变压比和电压、电流基本关系,1.两种开关状态,VG
9、0, T管导通,D阻断,1.两种开关状态,VG=0, T管阻断,2. 变压比和电压、电流基本关系,理想Boost变换器的变压比,T导通,D截止,T 阻断，D导通,2. 变压比和电压、电流基本关系,假定负载电流平均值为IO,输入电流和电感电流的电流平均值均为：,通过二极管的电流ID等于负载电流IO （电容的平均电流为零）,通过开关管T的电流平均值为：,工作电流的平均值表达式,2. 变压比和电压、电流基本关系,电感电流的脉动量为：,通过开关管T和D的电流最大值与电感电流的最大值相等：,工作电流的其他表达式,输出电压脉动等于开关管T导通期间电容C的电压变化量，V0可近似地由下式确定,理想Boost变
10、换器输出电压纹波的大小,T和D所承受的最大电压理想情况下均与输出电压相等。,理想Boost变换器开关器件所承受的最大电压,2.3 电感电流断流时工作特性,三种开关状态和变压比 临界负载电流 Boost变换器输出电压外特性,1.三种开关状态与变压比,VG0, T管导通,D截止,1.三种开关状态与变压比,VG=0, T管阻断，D导通,1.三种开关状态与变压比,VG=0, T管阻断，D管截止,2. 临界负载电流,临界负载电流,当负载电流IOIOB,电感电流连续 当负载电流IO=IOB ,电感电流处于连续与断流的边界,当负载电流IOIOB,电感电流断流,电感电流断流的影响,3. Boost变换器输出电
11、压外特性,稳态运行时，开关管T导通期间,电源输入到电感中的磁能，在T截止期间全部通过二极管D转移到输出端，如果负载电流很小，就会出现电流断流工况。 如果变换器负载电阻变得很大，负载电流太小，这时如果占空比仍不减小、不变、电源输入到电感的磁能不变，必使输出电压不断增加。 因此没有电压闭环调节的Boost变换器不宜在输出端开路情况下工作。,Boost电路的运行与控制小结,一般使用PWM控制； 不能空载运行； 占空比不能接近1； 输入电流脉动较小，运行中对电源的扰动小。,如图所示Boost变换器，输入电源电压 Vs=1030V，输出电压被控为恒值V，开关频率fs=40kHz，最大输出功率100W，电流Iomax=2.08A，最小输出功率10W，电流Iomin=0.208A，要求变换器工作时电感电流连续，求最小升压电感L值及输出电压纹波小于1%时的滤波电容C。,例2,
