第二章：直流变换电路张老师3

1、1第一节：概述第一节：概述DC-DC变换器定义变换器定义:只对直流参数进行变换的电路一般结构：直流电源DC-DC主电路负载控制电路duou完成的功能：完成的功能： 直流电幅值变换 直流电极性变换第二章第二章 DC/DC 变换器变换器一、基本概念一、基本概念2二.理想直流变换器应具备的性能1.输入/输出端的电压均为平滑直流,无交流谐波分量2.输出阻抗为零3.快速动态响应,抑制干扰的能力强4.高效率/小型化直流电源DC-DC主电路负载控制电路duou3三、两种基本电路Buck 电路降压电路Boost 电路升压电路基本的含义：英语：Fundamental-n. Something that is a

2、n essential or necessary of a system or object.三国演义：备若有基本，天下碌碌之辈，诚不足虑也。数学：基本特性电子学：三种基本放大器，CE、CB、CC。独立性和完备性。43.1.Driving:电车,地铁,电动汽车,火车3.2.直流电机调速系统,3.3.照明,氙灯ballast3.4.switching power supply,Eg.Adapter,VRM五.Typical topologies:Buck,Boost,Buck-Boost, Cuk四.Application5第二节:单象限降压型电路一.电路T是全控元件(GTR,GTO,MOSFE

3、T,IGBT),当 时,T导通, 0DTtD:续流二极管L0和C0组成LPF67二.工作原理当 时,控制信号使得T导通,D截止,向L0充磁,向C0充电, 0DTt当 时,T截止,D续流,U0靠C0放电和L0中电流下降维持,TDTt三.假设:1.T,D均为理想器件2.L0较大,使得在一个周期内电流连续且无内阻3.直流输出电压U0为恒定4.整个电路无功耗5.电路已达稳态；IL=0, Qc=08四.电路各点的波形9五.电路分析1.电感电流iL表达式当tLUUItiDTtdLL00)0()(,0Lit,储能 (1)当 时, 达到最大值,DTt)(tiLDTLUUIIdLL0)0(2)当 时,TDTtL

4、CtDTtLUItiLL和,),()(00放能 (3)当 时, 达到最小值Tt )(tiLLI)(00DTTLUIILL(4)由于电路达到了稳态,)0(LLII 102.伏秒平衡定律的证明：由式（2，4）和稳态条件得到：)(0000DTTLUDTLUUd得：)()(00DTTUDTUUd这就是电感的伏秒平衡，实际是对 的积分，即平均值为零Lu平均电流20LLIII(5)(6)(7)DTLUUIIdLL0)0(2)(00DTTLUIILL(4)稳态条件,)0(LLII 113.输出电压增益doVUUA 输出电压平均值输入电压平均值由(6)式得:DUUAdV0dDUU 0(10)当D改变,U0改变

5、4.输入电流平均值Id00IUUIPddddIDI10输入功率电流输出电压输出电流125.输出电压纹波分析当 但 为有限值,00constUCoC0IiiCL电感电流电容电流负载电流0IiiLC, 0,0CLiIi情况1:C充电情况2:, 0,0CLiIiC放电13当 电荷量为QTDDTDTLdtiQ2)1(21实际上就是图 中的阴影部分的面积Li在 时,阴影部分的面积为:,21DTDTt DTIDTISLL8121212112)1 (,21TDDTDTtTDITDISLL00281)21()21(21S2S114S2S12)1 (,21TDDTDTt在期间，TITDIDTISSQLLL881

6、81021TCICQUL0008输出电压纹波15 代入上式得:TDLUI)1 (00200000088TDLCUTCIUL所以当 与 给定后0U0U0020008UUfLDC当 最大时,用 , 的最大值 为0DHD00COMC002008UUfLDCHOMTCICQUL0008166.保持电流连续的临界电感值由 的图形可知,LiTDLUIIIIL0000022当 时, 电流处于临界连续状态0ILiTDLUIK0000200000022kU D TR D TLI当 取最大值时,0DkmKHLLDD0000,2000TDRLHkm当 时, 处于连续状态kmLL00Li17六.电流断续时的状况 (略

7、）1.求Av根据伏秒平衡律:PdVpdPdDDDUUAUDDDUTDUDTUU0000)()(2.求DpTDLUIP00平均电流:)(2)(21)(21000PPPPDDTDLUDDITTDDIIDTTDuLiLuDTDpTI0uud18202PpoDDDTRL解得:2/8002TRLDDDP200/8112TDRLAVooPPRUDDTDLUI)(200019开关变换器稳态分析方法小结TLdtu00TLdtu001、根据开关的工作时序定性画出关键波形；2、由于LC网路的输入/输出是方波,采用分时区线性化处理，类似于方波信号通过RC、LC、RLC网路的分析方法；3、理想化处理：器件、电源和负载

8、；4、在DC/DC变换器中，降阶处理：假定电容上的端压为恒定值，将二阶微分方程降为一阶微分方程5、稳态条件下的的两个重要定律：Tcdti00伏秒平衡：伏秒平衡：电荷平衡：电荷平衡：电感、电容在一个周期内的获得的能量与释放的能量相等。20 +-+- A2及其周围电路的功能是一个可控开关，工作在运放的非线性工作区；输入输出关系不能用数学表达式表示，所以只能通过绘制输入、输出波形表示其逻辑关系；用使用波形法分析； A1及其周围电路组成了一个积分器，工作在运放的线性工作区，可以用数学表达式描述其输入与输出的关系； 含有开关的电路的分析方法及步骤是：step1定性的绘制其时域波形;step2写出线性部分

9、的表达式；step3基于时域波形求解线性部分的表达式。含有开关的电路的分析方法概述：以时域波形为基础分析法以时域波形为基础分析法21BUCK电路的设计思路：电路的设计思路：STEP1，确定D和RoSTEP2、设计电感LSTEP3、设计电容CoSTEP4、选择T/D的耐压/电流值：oodoIURUUD0,0002HkmR DTL最小电感：002008UUfLDCHOMmaxmax)53(,2 . 1TmBRIIUUSTEP5、仿真验证00 dLUULDTI根据电流纹波设计电感22七、Typical ApplicationsBuckThree PhasesInvertersAC motor交流调速

10、系统BuckSignal PhasesInvertersHid LampilluminingsystemBuckLow v/high ILoadSwitching power supplesystem 二次电源BuckHigh V/Low ILoadSwitching power supplesystem一次电源23作业1，比较CCM和DCM工作时，电压增益和电流增益公式，电感上电压的差别。2，试述CCM和DCM工作的优缺点。3，试述伏秒平衡和电荷平衡定律。4，绘制输出电压纹波的波形24第三节:单象限升压型直流变换电路一.电路二.工作原理, 0DTt /,/,LdTon Doff uU当0,/

11、,/,LdtDT TToff Don uuU三.连续模型分析1.直流增益Av根据伏秒平衡律:0001)1)(DUUATDUUDTUdVdd25说明:1) 所以 是升压电路 2) 可以调压, 1, 10VADdUU 00000,UDDDUUdTwo Modes:能量的传输Mode1:0tDT, T is on D is off ,the current iL increase,the equivalent circuitMode2:DTt112.输入电流脉动/关心变换器如何从电源中汲取电流关心变换器如何从电源中汲取电流输入电流增量:输入电感电流的最大值:LdddIILDTUdddLddmLDTU

12、IIII221由无耗性可知:000000000,RUDDIDDIUUIIUIUdddd)2(0000ddmLTDRDDUI343.输出电压的脉动值当VTon,VD off时,电容C0放电维持输出电压0000CRUdtdu0000CRUDTU0000CRDTUU00000,UUCUUD选大电容可以消除U0的脉动4.考虑rL的影响LLerIPP200若 的纹波很小时,平均值与有效值相等LiLeLII35(不讲)在求均值时,电感短路,电容开路,所以:00000111DDDIIIIIIIdLdL00DIIL02000200020202RDrPrRDUIDrIrILLLLL02011RDrL作业：计算作

13、业：计算T和和D的耐压。的耐压。36第五节:单象限的CUK电路一.CUK电路的特点:1.输入、输出电流皆没有脉动,只是在直流成分的基础上附加了一个不大的开关纹波;2.电压增益3.开关晶体管发射极接地;4.输入输出电压反向;0VA二.CUK电路37三.工作原理:这个电路的关键是靠C1传输能量在 期间,VT/off,Vd/on,输入电路:把L1中的存能送给C1,给C1充电,L1、L2中的能量均是减小的；输出电路:靠L2、C2中的存能维持输出电压基本不变,TDTt在 期间, VT/on,Vd/off,输入电路:Ud给L1充磁,输出电路:Uc1给L2充磁, 0DTt L1,L2中的能量均是增加的VTo

14、ff,VDon 等效电路VTon,VDoff 等效电路01UUudC38四.电路分析(连续模型)1.稳态的均值等效电路00dtuTL所以电感两端的均值电压为0,相当于虚短所以电容中的电流的均值为0,相当于虚断00Tcdti392.CUK均值等效电路3.电压增益L1电压的瞬时值:1LudU, 0DTt ,TDTt 1CduU 若C1,C2较大,认为电压恒定即:0211,UUUuCCC所以:1LudU, 0DTt ,TDTt 01UUUCd01UUUdC稳态等效电路40L2电压的瞬态值:2LudCUUu010U, 0DTt ,TDTt （3）结论:如果2121,LLuuCC则（4）根据伏秒平衡律:

15、000)1 (TUDTUDDTUdDDDDAV001(5)41CUK:DDDDAV001Boost:DAVBuck:0DAV所以Buck-Boost及Cuk的增益为Buck与 Boost增益的积电流增益:DDIIAdI00(6)4.输出、入端电流脉动入端:出端:1LDTUIdd2201)(LDTULDTUUIdco(7)(8)42上式说明:如果 如果,1dILo2,IL式（7)和式(8)相除得:dtdiLdtdiLLLIIdd102120上式再次证明了 的结论21LLuu输入电流的最大值:输出电流的最大值:10022LDTUIDDIIIddddm(9)200002LDTUIIIIdm(10)V

16、T电流最大值,mdmTMIII043注意: 的最大值发生在 与 的最大值同时发生TiDTt 0,IId5.波形(自己画)446.考虑L1,L2内阻的分析( 不讲）均值等效电路01010dVURrArU0111RrrK令010VdAKUU01000011VdddAKUDDRUrUrIU0000RUDDIDDICd10101010010111KRrAKAKDDRrUUAVVdV45第六节:双象限直流电压变换电路（不讲）一.双象限电路的分类输出电流平均值I0极性可变原理: 当 ,当000RUDUId0,00IUDUd0,00IUDUd输出电流:负载等效电压:输出电压: 恒大于零0I0UdDUU 0应

17、用:负载为直流电机时,构成具有再生制动力的不可逆调速系统0I0U正转(减速运行)正转制动力46典型电路:1)Buck与Boost组合电路,工作在Buck电路时,电源向负载传输能量, 工作在Boost电路时,负载向电源反馈能量2)双向CUK电路分析输出电压均用正向传输电路;分析输出电流 0200RUUI输出电压U0极性可变电路原理:靠改变占空比改变U0的极性应用负载为电机时,构成可逆调速系统0I0U正转反转制动典型电路:双管正激电路电机负载下输出电压和输出电流的分析方法471.等效电路:2.求E值.在稳态时,TdtuTE001令00R3.求 的均值U0是根据开关电路决定0u4.求 的表达式0i令

18、R=0,根据 的瞬态表达式0u0000UudtdiL0u+-0i48第七节:四象限桥式直流变换电路（不讲）一.四象限桥式直流变换电路概述1.应用具有摩擦负载的可逆直流调速系统2.优点:以DC-DC原理实现的直流变换电路,具有网络侧功率因数高, 响应速度快3.分类:全桥电路半桥电路单极性电路双极性电路同频电路倍频电路4.双极性电路:指在一个斩波周期内,输出电压 只有一个极性变换 的电路0u0udUdU, 0DTt ,TDTt 49的平均值0udddUDTTDUDTUU) 12()1 (0由上式可知:U0随D改变而改变特点:电流脉动大,但不会出现断续情况5.单极性电路:在一个斩波周期内,输出电压仅

19、有幅度变化而无极性 变化当0, 0 uus, 0DTt ,TDTt du0当0, 0 uus, 0DTt ,TDTt du050平均值:dsdsDUUuDUUu00, 0;, 0特点:电流脉动小,但在轻载或低速运行时会出现负载电流断续状况6.同频电路:输出电压的斩波频率为f,开关元件的开关频率为fs同频电路:f=fs倍频电路:f=2fs7.电机调速系统的工作0I0U正转反转制动正转制动反转二.双级性全桥电路控制电压的分布(与普通的全桥电路相同)31,gguu同相,脉宽为DT42,gguu同相,脉宽为D0T51三种情况:时区A, D0.5, I00,时区B, D=0.5, I0=0,时区C, D

20、0.5, I00,0udUdU0udUdU0udUdU控制信号与占空比D的关系SMsUuD)1 (21最大控制电压52工作过程分析:只讨论D=0.5offVuuDTtTgg4,24,23, 1, 0, 1,2, 0因为00i3, 1TV不能on,而VD1与VD3on,00,iUud当0,20iDTtoffVonVuuDTDTtTTgg4,23, 14,23, 1, 0, 1,2, 0,2,03, 10dgUuuTDDTDTt但offViT4,20, 0当0,200iTDDTt53dTgUUnVuTDDTt04,24,20,0, 1,2(三)直流增益:ddUUDU) 12(0)1 (21D双极性

21、桥式直流变换器,实质上是一个线性放大器四.电流脉动计算TDUDLUUDTIdd0000200I(5-178)54第八节单象隔离型电路一、单端反激式开关电路的原理单端：工作在B-H平面的第一象限反激式: 是指开关管在截止时,将存储在原边电感的能量传输到副边.观察变压器的极性.工作区域 电路结构及工作原理 T: 开关管 D:整流二极管 Co:是输出电容 R: 负载 TL：高频变压器(一)、理想条件下的电路分析55HlNI给磁芯增加气隙，增加H值工作区域 56工作原理 当 T导通, 原边电感上电压的极 , 副边电压的极为 ,因此, D截止, 所以把能量存储在原边上, 靠电容放电维持. 当 T截止,

22、原边电感上的电压为 , 副边电压为 , D导通, 把存储 的能量传给电容和负载.0U1L57储能元件的能量平衡分析储能元件的能量平衡分析000TLLu dti 稳态条件下的的两个重要定律：稳态条件下的的两个重要定律：000Tci dtQ 伏秒平衡：伏秒平衡：电荷平衡：电荷平衡：58连续导电方式: 在T截止期间, 初级的储能 被部分释放.不连续导电方式: 在T截止期间, 初级的储能被全部释放.2. 两种导电模式工作区域 593.波形分析有图b中u2波形可知,根据伏秒平衡与原理:nUdDT=UoDoTn=N2/N1得, (3-114)ovdoUDAnUD在换流瞬间,原副边电流满足下面关系:2211

23、NINImm2211NINIMM2211NINIT的耐压：uUNNuUodT216061 辅助网络的作用：在BG截止时, D1导通, C1 并联在ce之间,使 的上升速度减慢, 且减少峰值电压和损耗；在BG导通时, C1 通过 R1 向开关管ce极放电，减少了BG导通时的峰值电流和损耗.111,DCR4,辅助网络的功能寄生参数及作用：CS,Ls CS : 几百PF， this energy BG ，增加了开通损耗Ls : BG关断时，这个能量将变为CS 上的电能，是BG的开关应力增加解决的方法：增加CS 的数值221cesUC221psIL212)(2121cespsUCCILLsCs62减少漏感的变压器绕制方法63（二）电路的外特性1、与Boost/Buck-boost电路相同，Flyback的电路不能开路行.2、电路的外特性，如图3-26所示CCM区临界线DCM区横轴横轴:ocmI最大临界电流值oI输出电流纵轴纵轴:oU输出电压dnU变压器原边的电压临界线将U-I平面分为两个区域.在CCM区,相当于一个恒