第章 基本DC-DC变换器ppt课件

现代电源技术,Modernpowertechnologies,第2章DCDC变换器,1,2,3,4,5,复合型DCDC变换器,本章小结,6,学习指导,DC-DC变换器换流及其特性分析,DC-DC变换器的基本结构,基本内容,本章习题,DC-DC变换器（DC-DCconverter）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，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,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,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：降压型（减流型）DC-DC变换器，简称buck变换器升压型（增流型）DC-DC变换器，简称boost变换器升降压型（增减流型）DC-DC变换器，简称buckboost变换器降升压型（减增流型）DC-DC变换器，简称boostbuck变换器,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,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：有变压器的隔离型DC-DC变换器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。,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,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,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1DC-DC变换器的基本结构,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,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：,如何改变直流电压？,2.1DC-DC变换器的基本结构,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,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。,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（Chopper）当完成AC-AC变换时，称之为交流斩波器（ACChopper）；而当完成DC-DC变换时，则称之为直流斩波器（DCChopper）这种开关管按一定调制规律通断的控制为斩波控制,2.1DC-DC变换器的基本结构,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1DC-DC变换器的基本结构,斩波控制按开关管调制规律的不同主要分为2种：脉冲宽度调制（PWM）这种控制方式是指开关管调制信号的周期固定不变，而开关管导通信号的宽度可调脉冲频率调制（PFM）这种控制方式是指开关管导通信号的宽度固定不变，而开关管调制信号的频率可调在以上2种调制方式中，脉冲宽度调制（PWM）控制方式是电力电子开关变换器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。,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1DC-DC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DC-DC变换器boost型DC-DC变换器buck-boost型DC-DC变换器boost-buck型DC-DC变换器以下分别讨论这类DC-DC变换器的基本结构。,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.1buck型DC-DC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，当开关管VT导通时，输出电压等于输入电压，UoUi；而当开关管VT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变换器（buck电压变换器）的基本变换功能,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,DC-DC电流变换原理电路及输入、输出波形,2.1.1buck型DC-DC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，当开关管VT关断时，输出电流等于输入电流，即IoIi；而当开关管VT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（buck电流变换器）的基本变换功能,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.1buck型DC-DC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出电压和buck型电流变换电路的输出电流均是脉动的，如何进行改进？,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.1buck型DC-DC变换器的基本结构,为抑制输出电压脉动，可在图3-1a所示的基本原理电路中加入输出滤波元件（如：电容C）如图3-2a所示,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.1buck型DC-DC变换器的基本结构,为抑制输出电流脉动，可在图3-1b所示的基本原理电路中加入输出滤波元件（如：电感L）如图3-2b所示,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.1buck型DC-DC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电压电流变换器输出滤波元件的加入必然使变换电路中开关管VT的电压、电流应力增加图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C将造成输入输出短路，以至于开关管VT流入很大的短路电流而毁坏图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L将感应出极高的电压，从而使开关管VT过电压而毁坏如何限制电压电流应力？,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.1buck型DC-DC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关管VT导通时的电流应力，则将缓冲电感L串入开关管VT的支路中,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.1buck型DC-DC变换器的基本结构,在上述改进基础上，为了避免开关管VT关断时缓冲电感L中电流的突变（减小电压应力），应再加入续流二极管VD（为电感释放储存的能量提供通路，减缓电感电流变化率）如图3-2c所示,结构较为完善的buck型电压斩波器,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.1buck型DC-DC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，为了限制开关管VT关断时的电压应力，则将缓冲电容C并入开关管VT的两端,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.1buck型DC-DC变换器的基本结构,为了避免开关管VT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VD（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,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.1buck型DC-DC变换器的基本结构,DC-DC变换电路中的储能元件（电容、电感）有滤波与能量缓冲两种基本功能：滤波元件常设置在变换器电路的输入或输出能量缓冲元件常设置在变换器电路的中间,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.1buck型DC-DC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）变换电路输入侧为恒压（恒流）源，因此电路输入侧无需滤波电容（电感）电路的输出侧则由于脉动而需要滤波。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,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.1buck型DC-DC变换器的基本结构,一般将上述所加入的如图3-2c）中的缓冲电感和续流二极管组成的电路或如图3-2d）中的缓冲电容和钳位二极管组成的电路统称为缓冲电路（或缓冲单元）,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.2boost型DC-DC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（忽略电路及元件的损耗），则buck型电压变换器在完成降压变换的同时也完成了升流（boost）变换。同理buck型电流变换器在完成降流变换的同时也完成了升压（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型电压变换存在功能上的对偶性。若已知某种升（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求出,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.2boost型DC-DC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可以用并联电容的电流源（Ci、Ii）支路取代，如图3-3b所示,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.2boost型DC-DC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UoIo,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.2boost型DC-DC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所示,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,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可以用串联电感的电压源（Li、Ui）支路取代，如图3-3a所示,2.1.2boost型DC-DC变换器的基本结构,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.2boost型DC-DC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3-3a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,IoUo,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.2boost型DC-DC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。,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.3boost-buck型DC-DC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并进行适当化简，即可构建boost-buck型或buck-boost型变换器,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.3boost-buck型DC-DC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-buck串联结构：输入级采用图3-3c所示的boost型电压变换器电路输出级采用图3-2c所示的buck型电压变换器电路将boost型电压变换器电路的输出与buck型电压变换器电路的输入串联，串联时：输入级boost型电压变换器电路的输出负载省略，而输出级buck型电压变换器电路的输入电压源省略，串联后的电压变换器电路如图3-4a所示,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.3boost-buck型DC-DC变换器的基本结构,图3-4a所示的boost-buck串联结构电路中，由于存在两只开关管和两只二极管，因而有必要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,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.3boost-buck型DC-DC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，所得等效电路如图3-4d所示,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.3boost-buck型DC-DC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,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.3boost-buck型DC-DC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反向极性),由于是SlobodanCuk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,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.3boost-buck型DC-DC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性的boost-buck型电压变换器，即所谓的Sepic变换器和Zeta变换器，如图3-5所示Sepic变换器和Zeta变换器特征Sepic变换器和Zeta变换器与Cuk变换器具有相同的稳态电压增益M=D/(1-D)Sepic变换器的输入输出电流连续(较易滤波)Zeta变换器的输入电流则断续,Sepic变换器,Zeta变换器,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.4buckboost型DC-DC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:输入级采用图3-2c所示的buck型电压变换器电路输出级则采用图3-3c所示的boost型电压变换器电路将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,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.4buckboost型DC-DC变换器的基本结构,图3-6a所示的buckboost串联结构电路中，由于存在两只开关管和两只二极管，因而有必要省略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，即开关管VT1、VT2同时通、断，则有可能使电路得以进一步简化,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.4buckboost型DC-DC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,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.4buckboost型DC-DC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；,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,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,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.4buckboost型DC-DC变换器的基本结构,2.1.4buckboost型DC-DC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，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反向极性),目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.1.4buckboost型DC-DC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?两者的输入输出电压极性均为反向极性相对于boost-buck型电压变换器电路，buck-boost型电压变换器电路结构简单，并且其中的储能元件也较少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,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.1.1Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.2Boost型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构2.1.3Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.2DC-DC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，分别简称为buck变换器、boost变换器、buck-boost变换器、boost-buck变换器2.各DC-DC变换器的开关调制均采用PWM控制）,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.2.1开关变换器中电容、电感的基本特性2.2.2Buck变换器换流及其特性分析2.2.3Boost变换器换流及其特性分析2.2.4Cuk变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.2DC-DC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，且满足以下理想条件：1)开关管、二极管瞬间通断，且无通态和开关损耗2)电容、电感均为无损耗的理想储能元件3)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、电容电压近似不变,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.2.1开关变换器中电容、电感的基本特性2.2.2Buck变换器换流及其特性分析2.2.3Boost变换器换流及其特性分析2.2.4Cuk变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.2.1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/dtuC=(1/C)iCdt对于电感有uL=LdiL/dtiL=(1/L)uLdt,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.2.1开关变换器中电容、电感的基本特性2.2.2Buck变换器换流及其特性分析2.2.3Boost变换器换流及其特性分析2.2.4Cuk变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.2.1开关变换器中电容、电感的基本特性,(1)电感电压的伏秒平衡特性稳态条件下，理想开关变换器中的电感电压必然周期性重复，由于每个开关周期中电感的储能为零，并且电感电流保持恒定I=0，因此，每个开关周期中电感电压UL的积分恒为零，即：,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.2.1开关变换器中电容、电感的基本特性2.2.2Buck变换器换流及其特性分析2.2.3Boost变换器换流及其特性分析2.2.4Cuk变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.2.1开关变换器中电容、电感的基本特性,(2)电容电流的安秒平衡特性稳态条件下，理想开关变换器中的电容电流必然周期性重复，而每个开关周期中电容的储能为零，并且电容电压保持恒定U=0，因此，每个开关周期中电容电流IC的积分恒为零，即：,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.2.1开关变换器中电容、电感的基本特性2.2.2Buck变换器换流及其特性分析2.2.3Boost变换器换流及其特性分析2.2.4Cuk变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.2.2buck变换器换流及其特性分析-2.2.2.1buck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，从而使电感L中的磁能亦增加,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.2.1开关变换器中电容、电感的基本特性2.2.2Buck变换器换流及其特性分析2.2.3Boost变换器换流及其特性分析2.2.4Cuk变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.2.2.1buck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,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.2.1开关变换器中电容、电感的基本特性2.2.2Buck变换器换流及其特性分析2.2.3Boost变换器换流及其特性分析2.2.4Cuk变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.2.2.1buck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”是指变换器缓冲元件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L而言的当电感电流iL0时，buck变换器工作在电流连续状态当一段时间中存在iL0，则buck变换器工作在电流断续状态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),目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.2.1开关变换器中电容、电感的基本特性2.2.2Buck变换器换流及其特性分析2.2.3Boost变换器换流及其特性分析2.2.4Cuk变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.2.2.1buck变换器的换流状态,图3-7b,图3-7c所示开关状态1、2对应的换流表示了buck变换器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1、2、3对应的换流表示了buck变换器电流断续时的工作过程,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.2.1开关变换器中电容、电感的基本特性2.2.2Buck变换器换流及其特性分析2.2.3Boost变换器换流及其特性分析2.2.4Cuk变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.2.2.1buck变换器的换流状态,buck变换器中电感电流连续时的相关波形如图3-7e所示,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.2.1开关变换器中电容、电感的基本特性2.2.2Buck变换器换流及其特性分析2.2.3Boost变换器换流及其特性分析2.2.4Cuk变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.2.2.1buck变换器的换流状态,buck变换器中电感电流断续时的相关波形如图3-7f所示,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.2.1开关变换器中电容、电感的基本特性2.2.2Buck变换器换流及其特性分析2.2.3Boost变换器换流及其特性分析2.2.4Cuk变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,1稳态电压增益GVbuck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,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.2.1开关变换器中电容、电感的基本特性2.2.2Buck变换器换流及其特性分析2.2.3Boost变换器换流及其特性分析2.2.4Cuk变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,2.2.2.2电流连续时的buck变换器基本特性分析,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,式（3-4）,2.2.2.2电流连续时的buck变换器基本特性分析,目录学习指导2.1DC-DC变换器的基本结构2.2DC-DC变换器换流及其特性分析2.2.1开关变换器中电容、电感的基本特性2.2.2Buck变换器换流及其特性分析2.2.3Boost变换器换流及其特性分析2.2.4Cuk变换器换流及其特性分析2.3复合型DC-DC变换器,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电流连续时的buck变换器基本特性分析,目录学习指导2.1DC-DC变换器