升降压变换电路Buck-Boost.ppt

第3章直流变换电路 3 1直流变换电路的工作原理3 2降压变换电路3 3升压变换电路3 4升降压变换电路3 6带隔离变压器的直流变换器 第3章直流变换电路 1 定义 利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电压的大小 将直流电能转换为另一固定电压或可调电压的直流电能的电路称为直流变换电路 DC DC变换电路 也称为斩波器 2 分类 按变换器的功能 降压变换电路 Buck 升压变换电路 Boost 升降压变换电路 Buck Boost 正激式变换电路 反激式变换电路 库克变换电路 Cuk 和全桥直流变换电路等 3 1直流变换电路的工作原理 工作原理 图中S是可控开关 R为纯阻性负载 在时间内当开关S接通时 电流经负载电阻R流过 R两端就有电压 在时间内开关T断开时 R中电流为零 电压也变为零 TS为开关T的工作周期 ton为导通时间 由波形图可得到输出电压平均值 图3 1 1基本的斩波器电路及其负载波形 改变D值就可以改变输出电压UO的大小 因为D是0 1之间变化的系数 因此在D的变化范围内输出电压UO总是小于输入电压Ud 3 1 2 定义占空比 则 3 1 1 直流变换电路的常用工作方式主要有两种 脉冲频率调制 PFM 工作方式 即维持ton不变 改变TS 一般很少采用 脉宽调制 PWM 工作方式 即维持TS不变 改变ton 这种工作方式最常用 占空比的改变 通过改变ton或TS来实现 3 2降压变换电路 Buck 原理图 续流二极管 全控型电力器件 输入直流电压 滤波电感 滤波电容 负载 3 2降压变换电路 导通期间 ton 电力开关器件导通T 电感蓄能 二极管D反偏 等效电路如图3 2 1 b 关断期间 toff 电力开关器件断开 电感释能 二极管D导通续流 等效电路如3 2 1 c 所示 可以计算出输出电压的平均值为 图3 2 1降压电路及其波形图 3 2 3 改变D值就可以改变输出电压UO的大小 因为D是0 1之间变化的系数 因此输出电压UO总是小于输入电压Ud 所以称为降压变换电路 占空比 忽略功率损耗 由输入输出功率平衡有 可得 改变D值就可以改变输出电压UO的大小 因为D是0 1之间变化的系数 因此输出电压UO总是小于输入电压Ud 所以称为降压变换电路 忽略功率损耗 由输入输出功率平衡有 电感中的电流iL是否连续 取决于开关频率 滤波电感L和电容C的数值 3 2降压变换电路 Buck 图3 2 2电感电流波形图 Buck变换器的可能运行情况 电感电流连续模式 电感电流临界连续状态 电感电流断流模式 3 2降压变换电路 3 2 4 1 电感电流iL连续模式 在ton期间 电感上的电压为 式中 IL I2 I1为电感上电流的变化量 UO为输出电压的平均值 3 2 5 3 2 6 3 2 7 3 2 8 3 2 9 在toff期间 电感中的电流iL从I2线性下降到I1 则有 根据式 3 2 4 3 2 5 可求出开关周期 S为 上式中 IL为流过电感电流的峰 峰值 最大为I2 最小为I1 电感电流一周期内的平均值与负载电流IO相等 即将式 3 2 7 3 2 8 同时代入关系式 IL I2 I1可得 2 电感电流iL临界连续状态 变换电路工作在临界连续状态时 即有I1 0 由可得电流临界连续的电感值L0为 即电感电流临界连续时的负载电流平均值为 式中Iok为电感电流临界连续时的负载电流平均值 当实际负载电流Io Iok时 电感电流连续 当实际负载电流Io Iok时 电感电流处于临界连续 当实际负载电流Io Iok时 电感电流断续 3 2 10 3 2 11 输出纹波电压 在Buck电路中 如果滤波电容C的容量足够大 则输出电压U0被滤得非常平 然而实际中的电容不可能为无穷大 所以直流输出电压总会有纹波成份 电流连续时的输出电压纹波为其中f为buck电路的开关频率 它表明通过选择合适的L C值 可以限制输出纹波电压的大小 而且纹波电压的大小与负载无关 3 2 14 3 3升压变换电路 Boost 电路 1 定义 直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为升压变换电路 又叫Boost电路 全控型电力器件开关 电感 用来储能 2 原理图 电容 用来保持输出电压 3 工作原理 ton工作期间 二极管截止 电感L储能 电容C给负载R提供能量 如图 b toff工作期间 二极管 导通 电感L经二极管 给电容充电 并向负载R提供能量 如图 c 3 3升压变换电路 图3 3 1升压变换电路及其波形 式中占空比D ton TS 当D 0时 U0 Ud 但D不能为1 0 D 1改变占空比D 就可以改变输出电压Uo 因为0 D 1 Uo Uin 所以称为升压变换电路 可以推得输出电压Uo与输入电压Ud之间的关系为 4 Boost变换器的可能运行情况 参考降压变换电路的计算方法 可得电感电流临界连续时的负载电流平均值为 当实际负载电流Io Iok时 电感电流连续 当实际负载电流Io Iok时 电感电流处于临界连续 当实际负载电流Io Iok时 电感电流断续 2 3 11 输出纹波电压 在Boost电路中 如果滤波电容C的容量足够大 则输出电压U0被滤得非常平 然而实际中的电容不可能为无穷大 所以直流输出电压总会有纹波成份 电流连续时的输出电压纹波为 上式表明通过选择合适的C值 可以限制输出纹波电压的大小 3 4升降压变换电路 1 概述 升降压变换电路 又称Buck boost电路 的输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压 输出电压与输入电压极性相反 其电路原理图如图3 4 1 a 所示 它主要用于要求输出与输入电压反相 其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源 图3 4 1升降压变换电路原理图 3 4升降压变换电路 2 工作原理 ton期间 二极管D反偏而关断 电感储能 滤波电容C向负载提供能量 图3 4 1升降压变换电路及其工作波形 toff期间 当感应电动势大小超过输出电压U0时 二极管D导通 电感经D向C和RL反向放电 使输出电压的极性与输入电压相反 3 4升降压变换电路 2 工作原理 续 3 4 5 上式中 D为占空比 负号表示输出与输入电压反相当D 0 5时 U0 Ud 当0 5Ud 为升压变换 当0 D 0 5时 U0 Ud 为降压变换 可求得输入输出电压关系为 3 工作原理 续 采用前几节同样的分析方法可得临界电感值为 变换器的可能运行情况 实际负载电流Io Iok时 电感电流连续 实际负载电流Io Iok时 电感电流处于临界连续 实际负载电流Io Iok时 电感电流断流 3 4升降压变换电路 3 4 5 3 6带隔离变压器的直流变换器 1 能使变换器的输入电源与负载之间实现电气隔离 提高变换器运行的安全可靠性 2 能设置多个二次绕组输出几个电压大小不同的直流电压 1 引入变压器作用 3 6带隔离变压器的直流变换器 3 6 1反激式 反励式 变换器 图3 6 1反激式变换器电路与工作波形 工作过程 开关管导通时 电源将电能转为磁能储存在电感中 当开关管阻断时再将磁能变为电能传送到负载 反激式变换器工作在输出电流连续的状态下 输出电压UO为 3 6 1 与升降压变换器 Buck Boost 的输入输出电压公式对比 多了变压器的匝比 3 6带隔离变压器的直流变换器 图3 6 2正激式变换器电路 变换器的输出电压为 该电路的占空比D不能超过0 5 3 6 2正激式变换器 3 6 2 变换器的输出电压为 为了满足磁通复位的要求 即开关管关断后 变压器中的磁通能复位 该电路的占空比D不能超过0 5 3 6 2 与降压变换器 Buck 的输入输出电压公式对比 多了变压器的匝比 3 6带隔离变压器的直流变换器 3 6 3推挽式变换器 属于正激式变换器 图3 6 3推挽式变换器电路 因为两个管子交替工作 所以其工作占空比必须小于0 5 实际上就是由两个正激式变换器组成 两个开关管交替导通和截止 当T2导通 T1关断时 电压Ud加在原边绕组Np2上 副边二极管D1导通向负载传递能量 当T1导通 T2关断时 电压 Ud 负号表示与刚才的方向相反 加在原边绕组Np1上 副边二极管D2导通向负载传递能量 3 6 4半桥式变换器 3 6带隔离变压器的直流变换器 图3 6 4半桥变换电路原理图 工作原理 电容C1和C2的容量相等 当两个开关管T1 T2都关断时 C1和C2分得相同的电压 即两个电容的中点A的电位是输入电压Ud的一半 Uc1 Uc2 Ud 2 当T1导通 T2关断时 加在变压器原边的电压就是Uc1 副边一个二极管导通向负载传递能量 当T2导通 T1关断时 加在变压器原边的电压是 Uc2 负号表示与刚才的方向相反 副边另一个二极管导通向负载传递能量 图3 6 5全桥变换电路 3 6 5全桥变换电路 3 6带隔离变压器的直流变换器 将半桥电路中的两个电解电容C1和C2换成两只开关管 即可组成图3 6 5所示的全桥电路 工作原理 T1 T4同时开关 T2 T3同时开关 当T2 T3开通 而T1 T4关断时 电压Ud加在变压器原边 副边一个二极管导通向负载传递能量 当T1 T4开通 而T2 T3关断时 电压 Ud 负号表示同名端相反 加在变压器原边 副边另一个二极管导通向负载传递能量 1 PWM波形 将一个直流电压分成N等份 并把每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替 得到的脉冲列 2 调制方法 等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且左右对称 当它与任何一个