第二章 直流-直流变换电路.ppt

电力电子技术,第二章直流直流变换电路,2.1概述,直流直流变换电路及功能直流直流（DCDC）变换电路是将一组电参数的直流电能变换为另一组电参数的直流电能的电路，功能包括：直流电幅值变换直流电极性变换,2.1概述,无变压器隔离基本变换器降压式变换器（BuckConverter）升压式变换器（BoostConverter)升降压式变换器（Buck-BoostConverter）库克变换器（CukConverter）Sepic变换器(SepicConverter)Zeta变换器(ZetaConverter),2.1概述,变压器隔离基本变换器正激式变换器(ForwardConverter)反激式变换器(FlybackConverter)半桥式变换器(Half-BridgeConverter)桥式变换器(BridgeConverter)推挽变换器（Push-Pullconverter),2.1概述,开关调压的基本原理输出平均电压：,2.1概述,占空比的定义开关接通的占空比定义为：其中：ton为开关导通时间，T为开关周期。脉冲宽度调制（PWM）所谓脉冲宽度调制的方法是一种在整个工作过程中，开关频率不变，而开关接通的时间按照要求变化的方法。脉冲频率调制（PFM）所谓脉冲频率调制的方法是一种在整个工作过程中，开关接通的时间不变，而开关频率按照要求变化的方法。,2.2降压式变换器（BuckConverter）,Buck电路基本结构,等效的电路模型及直流变换器基本规律电感L和电容C组成低通滤波器，输出电压uo就是us(t)的直流分量Uo再附加微小纹波uripple(t)。有：小纹波近似原理,2.2降压式变换器（BuckConverter）,一个开关周期内电容包含充电和放电两个过程，稳态时电路达到稳定平衡，电容上平均电压维持不变一个开关周期内电容充放电平衡。,2.2降压式变换器（BuckConverter）,开关S置于1位时（t1)，电感电流增加（I1)，电感储能；而当开关S置于2位时（t2)，电感电流减小（I2)，电感释能。稳态状况下一个开周期内电感平均磁链维持不变。电流平均增量为零（）或磁链平均增量为零一个开关周期内电感伏秒平衡。,2.2降压式变换器（BuckConverter）,电感电流连续模式（CCM）下稳态工作波形分析分析过程假定：（1）忽略器件开关时间（2）忽略元器件工作损耗和寄生参数影响（3）忽略电路的分布参数影响（4）输入为理想直流电源，忽略内阻、纹波、电压波动假定条件是对实际电路的一种简化与近似，实际电路通过合理的工艺设计，其工作状态一般接近于假定的状态。约定：小写字母表示瞬时值，大写字母表示直流,2.2降压式变换器（BuckConverter）,晶体管导通状态（0tt1）VT开通、VD关断，Ud恒定，有：（小纹波近似）则：基本恒定，电流线性变化有：（io恒定，iC与iL同斜率）,2.2降压式变换器（BuckConverter）,二极管导通模式（t1tt2=T）VT关断，电感续流VD导通,有：输出电流线性减小，有：,（io恒定，iC与iL同斜率),2.2降压式变换器（BuckConverter）,Buck电路工作波形(CCM状态),电感电流连续模式（CCM）下工作参数分析由稳态时电感伏秒平衡的规律，得：忽略电路工作产生的损耗，输入输出能量守恒，有：其中：Iin为输入平均电流（直流电流），Io为输出直流电流，D为占空比，Ud为输入直流电压，Uo为输出直流电压,2.2降压式变换器（BuckConverter）,电感电流连续模式（CCM）下工作参数分析考虑到稳态工作时电感伏秒平衡的特点，电感充放电过程电流波动值相等，依据前面的分析，电感电流脉动峰峰值为：考虑到输出电压脉动很小，有iLiC，且有一周期内电容充放电平衡，根据ic波形，电容充电电荷Q为电容纹波峰峰值为：,2.2降压式变换器（BuckConverter）,输出电容电压、电流波形,2.2降压式变换器（BuckConverter）,电感电流断续工作模式（DCM模式）简介,电感电流临界连续导通状态,电感电流断续状态,对于CCM状态,对于DCM状态,2.2降压式变换器（BuckConverter）,利用Buck电路设计一开关电源，电路工作于电感电流连续状态，设计指标如下：（1）输入电压30V，（2）输出电压10V，（3）输出纹波峰峰值不大于100mV，（4）输出电流最大1A，最小100mA，（5）电源开关频率100kHz,计算电路相关参数？,课堂思考,电路参数设计目标：（1）电感参数设计，需得到电感量与最大峰值电流两个参数（2）电容参数设计，需得到电容量与额定电压两个参数（3）MOSFET开关管选择，需得到额定电流额定电压两个参数（4）二极管选择，需得到额定电流额定电压两个参数,设计方法,设计方法,（1）由输入输出电压关系，计算D（2）计算电感参数Buck变换器电感电流平均值即为输出直流值，当输出最小电流时，电感电流应至少处于电感电流临界连续才能维持整个工作范围电感电流连续。电感电流临界连续时，有：由,设计方法,电感电感峰值电流（3）计算电容参数由输出纹波要求，实际可选取电容量为3.3F以上电容工作时承受最高电压为10V，可选额定电压为16V以上（4）计算MOS管的额定电流、额定电压由工作波形确定实际可选取参数：额定电流1.5A以上额定电压50V以上,设计方法,（5）计算二极管额定电压、额定电流与计算MOS管电流类似，二极管额定电流由工作波形可以确定，二极管承受最高电压为30V实际可选二极管参数：额定电流1A以上额定电压60V以上选择快恢复二极管,Boost电路基本结构,2.3升压式变换器（BoostConverter）,电感电流连续模式（CCM）下工作波形分析晶体管导通状态（0tt1=DT）VT开通、VD关断，有：,2.3升压式变换器（BoostConverter）,二极管VD导通模式（t1tt2=T）VT关断，电感续流，VD导通，有：考虑电感伏秒平衡，电感电流为下降曲线。（斜率与电感电流相同）,2.3升压式变换器（BoostConverter）,2.3升压式变换器（BoostConverter）,电感电流连续模式（CCM）工作参数分析电感伏秒平衡，有：忽略电路工作产生的损耗，输入输出能量守恒，有：,电感电流连续模式（CCM）工作参数分析考虑到稳态工作时电感伏秒平衡的特点，电感充放电过程电流波动值相等，晶体管导通时有：输出电压脉动很小，一个周期内电容充放电平衡，根据ic波形，Q的时间为DT，则输出纹波峰峰值为：,2.3升压式变换器（BoostConverter）,利用Boost电路设计以开关电源，电路工作于电感电流连续状态，设计指标如下：（1）输入电压10V，（2）输出电压30V，（3）输出纹波峰峰值不大于300mV，（4）输出电流最大1A，最小100mA，（5）电源开关频率100kHz,计算电路相关参数？,课堂思考,电路参数设计目标：（1）电感参数设计，需得到电感量与最大峰值电流两个参数（2）电容参数设计，需得到电容量与额定电压两个参数（3）MOSFET开关管选择，需得到额定电流额定电压两个参数（4）二极管选择，需得到额定电流额定电压两个参数,设计方法,设计方法,（1）由输入输出电压关系，计算D（2）计算电感参数Boost变换器电感电流平均值即为输入直流值，当输出最小电流时，电感电流应至少处于电感电流临界连续才能维持整个工作范围电感电流连续。电感电流临界连续时，有：由,设计方法,电感电感峰值电流（3）计算电容参数由输出纹波要求，实际可选取电容量为22F以上电容工作时承受最高电压为30V，可选额定电压为50V以上（4）计算MOS管的额定电流、额定电压由工作波形确定实际可选取参数：额定电流5A以上额定电压50V以上,设计方法,（5）计算二极管额定电压、额定电流与计算MOS管电流类似，二极管额定电流由工作波形可以确定，二极管承受最高电压为30V实际可选二极管参数：额定电流2A以上额定电压60V以上选择快恢复二极管,Buck-Boost电路基本结构,2.4升降压变换器（Buck-Boostconverter）,电感电流连续模式（CCM）工作波形分析晶体管导通状态（0tt1=DT）VT开通、VD关断，有：,2.4升降压变换器（Buck-Boostconverter）,二极管VD导通模式（t1tt2=T）VT关断，电感续流，VD导通，有：iL线性减小，电流为下降曲线（斜率与电感电流相同）,2.4升降压变换器（Buck-Boostconverter）,2.4升降压变换器（Buck-Boostconverter）,电感电流连续模式（CCM）工作参数分析电感伏秒平衡，有：忽略电路工作产生的损耗，输入输出能量守恒，则有：,电感电流连续模式（CCM）工作参数分析稳态工作时电感伏秒平衡，有：输出电压脉动很小，一周期内电容充放电平衡，根据ic波形，Q的时间为DT，则输出纹波峰峰值为：,2.4升降压变换器（Buck-Boostconverter）,利用Buck-boost电路设计一电源，电路工作于电感电流连续状态，设计指标如下：（1）输入电压15V，（2）输出电压10V30V，（3）输出纹波峰峰值不大于100mV，（4）输出电流最大1A，最小100mA，（5）电源开关频率100kHz计算电路相关参数？,课堂思考,电路参数设计目标：（1）电感参数设计，需得到电感量与最大峰值电流两个参数（2）电容参数设计，需得到电容量与额定电压两个参数（3）MOSFET开关管选择，需得到额定电流额定电压两个参数（4）二极管选择，需得到额定电流额定电压两个参数,设计方法,设计方法,（1）输出功率最小时，电感电流平均值最小。由输入输出电压关系，计算D（2）计算电感参数Buck-Boost变换器二极管电流平均值即为输出直流值，二极管电流波形即为电感在(1-D)T时段的波形组成，当输出最小电流时，电感电流应至少处于电感电流临界连续才能维持整个工作范围电感电流连续。电感电流临界连续时，有：由,设计方法,输出功率最大时，电感电流最大，由二极管电流的平均值等于输出电流，可以得到：,iVD,设计方法,（3）计算电容参数由输出纹波要求，实际可选取电容量为100F以上电容工作时承受最高电压为30V，可选额定电压为50V以上（4）计算MOS管的额定电流、额定电压由工作波形确定实际可选取参数：额定电流4A以上额定电压90V以上,设计方法,（5）计算二极管额定电压、额定电流与计算MOS管电流类似，二极管额定电流由工作波形可以确定，二极管承受最高电压为45V实际可选二极管参数：额定电流2A以上额定电压90V以上选择快恢复二极管,Cuk电路基本结构,2.5库克电路（Cuk电路）,电路工作过程1、VT开通，电感L1充电储能，电容C1向电容C充电并向负载放电、对L2充电，由于C1上的电压作用，二极管VD关断。2、VT关断，电感L1向电容C1转移能量，电容C1充电，电感L2续流导致VD开通，L2向电容C充电并向负载放电。3、电容C1上电压高于输出电压和输入电压。,2.5库克电路（Cuk电路）,2.5库克电路（Cuk电路）,电感电流连续模式（CCM）下工作波形分析晶体管导通状态（t0tt1=DT）VT开通、VD关断，对于电感L1有：同理，对于电感L2有：,2.5库克电路（Cuk电路）,二极管VD导通模式（t1tt2=T）VT关断，VD导通，对于电感L1有：对于电感L2有：,2.5库克电路（Cuk电路）,电感电流连续模式（CCM）工作参数分析由于电感伏秒平衡，可以得到：输入输出能量守恒，则有：MOS管电流峰值：,2.5库克电路（Cuk电路）,电感电流连续模式（CCM）工作参数分析电感电流脉动：L1L2由于，输出电压电流脉动很小，有：在一个周期内电容充放电平衡，在T/2时间内有：输出电容电压脉动峰峰值：,正向激励电路的基本结构,2.6正激变换器（ForwardConverter）,电感电流连续模式（CCM）工作波形分析晶体管导通状态（0tt1=DT）VT导通，；副边N2感应正电压使VD1导通、VD2截止，副边N3感应电压与Ud叠加，使VD3截止，电感两端电压为：,2.6正激变换器（ForwardConverter）,晶体管关断状态（t1tt2T）绕组N1中的激磁电流转移到绕组N3中，VD3导通，N3绕组电压为Ud；由于同名端的关系，N3绕组的电压具有反向去磁作用，形成磁复位；此时N2绕组感应电压导致VD1关断，电感L续流导致VD2导通，电感两端电压为：在t2之前，励磁电流在N3绕组续流，在Ud作用下线性小，导致变压器磁通密度BTr线性递减，至t2时刻降至零，磁路复位VD3关断，此时全部绕组均无电流，,2.6正激变换器（ForwardConverter）,2.6正激变换器（ForwardConverter）,电感电流连续模式（CCM）下工作参数分析稳态工作时电感伏秒平衡，有：上式表明：正激DC-DC变换电路的输出电压平均值和Buck电路一样与D成正比，不同的是还与匝数有关。为避免变压器饱和，每个开关周期内磁路必须复位，即0tt1阶段磁链增量不能大于t1tt2阶段磁链衰减量，有：这是正激变换器一个重要的约束条件。,课堂思考,设计一个正激式开关稳压电源，电源工作在CCM模式，设计指标如下：（1）输入直流电压100V150V，（2）输出直流电压5V，（3）最大输出电流5A，最小输出电流100mA，（3）输出纹波峰峰值不大于100mV，（4）开关频率设定为100kHz，计算电路相关参数，变压器仅要求计算匝比、功率。,设计方法,（1）变压器参数计算设定，则最大占空比为0.5，最小输入电压时占空比达到最大，则N1、N2之比可由输入输出关系计算变压器额定功率（2）输出滤波电感参数计算电感电流平均值等于输出直流电流，考虑输出最小电流时电感电流临界连续，则,设计方法,由，得输入电压最大时，占空比最小，得与Buck电路类似，电感最大峰值电流（3）输出滤波电容参数计算参考Buck电路，电容承受的最大电压为5V可以选取以上，额定电压16V以上,设计方法,（4）输出整流二极管参数计算VD1电流参数计算参考Buck电路MOS管额定电流VD2电流参数计算参考Buck电路二极管额定电流二极管承受的最高电压为15V二极管可以选择相同参数，选择参数：额定电流5A以上，额定电压30V以上,设计方法,（5）MOS管参数计算MOS管开通时，电流波形与电感电流一致，数量上缩小，因此MOS管通过的最大电流有效值为：根据MOS管工作波形，承受的最大电压为：MOS管选择考虑：额定电流1A以上，额定电压500V以上,设计方法,（6）磁通复位绕组N3续流二极管VD3参数计算由于，VD3续流电流为变压器的励磁电流，励磁电流的详细计算需要先确定磁芯，一般可以粗略考虑复位绕组的额定电流（VD3的额定电流）为主绕组额定电流（MOS管额定电流）的10%30%。因此，VD3额定电流为二极管承受的最大电压与MOS管相同，为：300VVD3额定参数选择如下：额定电压500V以上，额定电流0.2A以上,反激变换器的基本结构,2.7反激式变换器（FlybackConverter）,电流连续模式（CCM）下工作波形分析晶体管导通状态（0tt1=DT）VT导通，副边感应电势导致VD1截止，电感L1充电储能，有：,2.7反激式变换器（FlybackConverter）,晶体管关断状态（t1tt2T）VT关断，绕组N1中的激磁电流转移到绕组N2中续流，VD1导通，电感L1转移能量到副边绕组N2中，有：绕组N2的电感L2：,2.7反激式变换器（FlybackConverter）,N1I11/N2,电流连续模式（CCM）下工作参数分析稳态工作时电感伏秒平衡，可以得到：上式表明：反激DC-DC变换电路的输出电压平均值和Buck-Boost电路一样与D/(1-D)成正比，不同的是还与匝数有关。,2.7反激式变换器（FlybackConverter）,课堂思考,设计一个反激式开关稳压电源，电源工作在CCM模式，设计要求如下：（1）输入直流电压100V150V（2）输出直流电压5V（3）最大输出电流5A，最小输出电流500mA，（4）开关频率设定为100kHz，（5）输出电压纹波峰峰值不大于100mV，（6）变压器初级反射电压不高于50V，设计电路相关参数，变压器仅要求计算功率与变比、初级电感。,设计方法,（1）计算变压器参数考虑变压器反射电压：实际选择变压器匝比：输入电压最小时占空比达到最大，有：变压器功率：,设计方法,输出直流电流：输入平均电流：设电流中值比：(当时电感电流连续)有：当输入电压最小，占空比达到最大，输出电流最小时，电流连续需要的电感量最大，取计算得电感量为：,设计方法,（2）MOS关参数计算MOS管最大电流有效值：MOS管承受的最大电压：MOS管选择参数：额定电流1A以上，额定电压300V以上,设计方法,（3）输出整流二极管参数计算折算成正弦半波平均值：