第3章DC-DC变换电路

1、Power Electronics第3章 DC-DC 变换器主要内容：v 3.1 3.1 概述概述v 3.23.2 单管非隔离变换电路单管非隔离变换电路v 3.3 3.3 单管隔离式变换电路单管隔离式变换电路v 3.4 3.4 多管变换电路多管变换电路v 3.5 3.5 双向双向DC-DCDC-DC变换器变换器v 3.6 3.6 软开关变换器软开关变换器Power Electronics常用常用DC/DCDC/DC变换器拓扑变换器拓扑单晶体管功率电路单晶体管功率电路多晶体管功率电路多晶体管功率电路输入输出不隔离输入输出不隔离输入输出隔离输入输出隔离单端式单端式双端式双端式降压式降压式升压式升压

2、式升降压式升降压式本章讨论电压型变换器，即输入输出都是直流电压本章讨论电压型变换器，即输入输出都是直流电压 Power Electronics 学习要点学习要点: :电路拓扑电路拓扑 工作原理工作原理 外特性外特性 参数计算参数计算Power Electronics3.1 概述图3-1 线性稳压电源 线性稳压电源：线性稳压电源：通过将输入和输出功率通过将输入和输出功率/ /电压的差值电压的差值消耗在稳压电路上来实现输出稳压消耗在稳压电路上来实现输出稳压 ioioUUPPIiIoPower Electronics图3-2 斩波电路和开关电源开关电源：开关电源：1 1）斩波调节输出电压（直流分量）

3、斩波调节输出电压（直流分量） 2 2）滤波得到平滑直流输出电压）滤波得到平滑直流输出电压TtTTtUuononio00ionTioUTTdtUTUon01 理想L、C和开关元件不消耗功率,所以理论效率100Power Electronics图3-3 DC-DC变换器的6种基本拓扑(a) Buck (b) Boost (c) Buck-Boost (d) Cuk (e) Zeta (f) SEPICPower Electronics3.2 3.2 单管非隔离变换电路单管非隔离变换电路v 3.2.1 Buck变换器变换器v 3.2.2 Boost变换器变换器v 3.2.3 升降压式变换器升降压式变

4、换器v 3.2.4 6种基本拓扑的比较种基本拓扑的比较Power Electronics图3-4 理想Buck变换器Q主开关管VD续流二极管L, C输出滤波电 感电容3.2.1 Buck3.2.1 Buck变换器变换器Q: on offPower Electronics 工作原理工作原理图3-5 一个开关周期内的等效电路Q导通、VD关断 (b) Q关断、VD导通 (c) Q和VD都关断定义：定义：开关周期开关周期 T=Ton+Toff开关频率开关频率 f=1/T占空比占空比 D=Ton/TPower Electronics(1) 电感电流连续模式电感电流连续模式(CCM)Q on（导通）期间：

5、（导通）期间：i(3-2)onLonLoiTiLdtdiLUUPower ElectronicsQ off（关断）期间：（关断）期间：(3-3)ioffLoffLoTiLdtdiLUPower Electronics稳态时稳态时 iLon=-iLoff=iL 代入（代入（3-1）（）（33），得），得 Uo=DUi (3-4) 由于占空比由于占空比D1，因此，因此Uo Ui 图图3-4称为降压式（称为降压式（Buck）变换器。）变换器。Power Electronics(2) 电感电流临界连续模式电感电流临界连续模式 (CRM)临界连续时的负载电流临界连续时的负载电流 IG : IGiL02I

6、Gt将将(3-2)、(3-4)代入代入(3-5)，得：，得：(3-6)12GLIiIL=(3-5)D=0.5时，时，IG 最大，且最大，且LTUIiG8max(3-7)LTDDUIiG2)1 ( Power Electronics(3) 电感电流断续模式电感电流断续模式 (DCM)iiQ导通、VD关断 (b) Q关断、VD导通 (c) Q和VD都关断(3-2)(3-3)iiL=0图3-8 Buck变换器工作波形(DCM)onLonLoiTiLdtdiLUU11offLoffLoTiLdtdiLUPower Electronics)(2111offonLLoTTiTIILLoffLoniii1o

7、nooioffTUUUT1稳态时负载电流稳态时负载电流Io等于电感电流平均值等于电感电流平均值IL,代入式（代入式（3-2）和（）和（3-8）,（3-9）（3-10）Power ElectronicsoiLonooionLoUDUiTUUUTTiI2)(2)4/(112maxDIIUUGoio式（式（3-1）（）（3-10）代入式（）代入式（3-9），并整理，得），并整理，得再将式（再将式（3-2）（）（3-7)代入（代入（3-11），整理可得），整理可得 DCM Buck变换器的输出电压与负载有关变换器的输出电压与负载有关（3-11）Power Electronics2. Buck变换器理想

8、条下的外特性变换器理想条下的外特性 定义：在一定占空比下，变换器的定义：在一定占空比下，变换器的输出输出电压与电压与输出输出电电流流( (这里实际上是平均电流这里实际上是平均电流) )的关系称为变换器的外特性的关系称为变换器的外特性(I )ooDUfPower Electronics由式由式(3-4)和和(3-12), 得理想得理想Buck变换器外特性变换器外特性:连续即电感电流断续或临界连续即电感电流连续或临界,)4/(11,2maxGoGoGoioIIDIIIIDUU（3-14）Power Electronics图3-9 理想Buck变换器的标幺外特性Io/IGmaxPower Elect

9、ronics3. 开关器件应力分析开关器件应力分析 1) 开关管开关管Q 最大电压为最大电压为Ui 峰值电流为峰值电流为 isP=IL+iL/2= Io+iL/2 =Io+Uo(1-D)T/(2L) 负载相同时，负载相同时，Ui最高时最高时isp最大最大Power Electronics2) 二极管二极管VD 最大电压为最大电压为Ui 电流有效值电流有效值: 2011OFTDrmsooII dtIDTPower Electronics1) 电感电感L 设临界连续点负载电流为设临界连续点负载电流为Iomin，将，将IG=Iomin代入代入(3-6)，得，得min(1)2ioU TDDLI4. 输

10、出滤波参数设计输出滤波参数设计Power Electronics2) 电容电容C（按理想电容考虑）（按理想电容考虑）iL=Io+ icIoi交流分量根据要求的输出电压纹波设计根据要求的输出电压纹波设计ic0时电容充电，icUi，故称：升压式，故称：升压式(Boost)变换器变换器代入（代入（3-17）（）（3-18），可推导出），可推导出Power ElectronicsiL图3-14 Boost变换器工作波形(CRM)(2) 电感电流临界连续模式电感电流临界连续模式Q Q 导通期间：导通期间：Q Q 关断期间：关断期间：(3-17)(3-18)onLonLiTiLdtdiLUoffLoffL

11、oiTiLdtdiLUUPower Electronics 负载电流负载电流Io等于二极管电流的平均值等于二极管电流的平均值ID， 临界连续时的负载电流临界连续时的负载电流Io用用IG表示表示LoffTTLDGiTTdtiTIIon2111iLtiDiL 0 0IoID0 Ton T)1 (21DiLPower ElectronicsLTDDUIiG2)1 ( maxGILTUi8将式（将式（3-17）代入上式，可得）代入上式，可得可见，当可见，当D0.5时，时，IG最大，为：最大，为： （3-21）（3-20）Power Electronics(3) 电感电流断续模式电感电流断续模式Q Q

12、导通导通VDVD关断：关断：Q Q 关断关断VDVD导通：导通：Q Q 和和D D都关断：都关断： iL=0稳态 -iLoff1=iLon=iL图3-15 Boost变换器工作波形(DCM)iL111offLoffLoffoiTiLdtdiLUUonLonLiTiLdtdiLUPower Electronics（3-23）负载电流负载电流Io等于二极管平均电流等于二极管平均电流ID 11211offLoffoTiTIIo)(22ioLUUTiL再将式（再将式（3-17）（）（3-21）代入上式，可得）代入上式，可得oGioIDIUU/412maxPower Electronics2. Boos

13、t2. Boost变换器理想条件下的外特性变换器理想条件下的外特性 连续即电感电流断续或临界连续即电感电流连续或临界,/411,12maxGooGGooiIIIDIIIDUUPower Electronics图3-16 理想Boost变换器的标幺外特性Io/IGmax Io0时，时，Uo D1时，时，UoPower Electronics3.3.开关器件应力分析开关器件应力分析1）开关管）开关管QVD导通时导通时Q承受最大（正向）电压承受最大（正向）电压Uo。Q的电流峰值的电流峰值isp等于电感电流（也是输入电流）峰值等于电感电流（也是输入电流）峰值电感电流连续时电感电流连续时LTDDUDIi

14、oosp2)1 (1Power Electronics 2）二极管）二极管VD Q导通时导通时VD承受最大电压承受最大电压Uo。 输出电流输出电流Io是二极管电流是二极管电流iD的平均值，忽略电感电流纹的平均值，忽略电感电流纹波，即二极管电流的波形则近似为流通时间为波，即二极管电流的波形则近似为流通时间为(1-D)T、幅、幅度为度为Io/(1-D)的矩形波，可得的矩形波，可得 二极管电流有效值二极管电流有效值DIIoDrms1Power Electronics4. 4. 输出滤波参数设计输出滤波参数设计1）电感值）电感值L和和Buck变换器一样，电感变换器一样，电感L根据允许的电感电流纹波或根

15、据允许的电感电流纹波或临界连续负载电流临界连续负载电流Iomin（即工作在连续模式的最小负载电（即工作在连续模式的最小负载电流）来设计流）来设计令令IG=Iomin，由式（，由式（3-20)，有，有min2)1 (oiIDTDULPower Electronics2) 电容电容C根据要求的输出电压纹波根据要求的输出电压纹波Uo设计：设计： D关断期间，电容向负载关断期间，电容向负载RL放电、输出电压下降。放电、输出电压下降。 一般电路时间常数一般电路时间常数RLC远远大于开关周期，因此可远远大于开关周期，因此可以认为电容电压线性下降以认为电容电压线性下降CRTUULonooooLPUR2ooo

16、oLoUUDTPURDTUC故故而而Power Electronics内容内容: 拓扑拓扑 工作原理分析特性工作原理分析特性: on/off等效电路等效电路状态方程状态方程 参数设计参数设计几个特点几个特点: 1. iin=iL ; Io=ID 2. 峰值电流峰值电流: iQ 、iD 和和 iL相同相同 3. 输入电流纹波小而输出电流纹波大输入电流纹波小而输出电流纹波大.BoostBoost变换器变换器: :小结小结Power Electronics1. Buck-Boost1. Buck-Boost变换器的工作原理和特性变换器的工作原理和特性(CCM)(CCM)图3-17 理想Buck-Bo

17、ost变换器及其等效电路(CCM)Buck-Boost变换器 (b) Q导通、VD关断 (c) Q关断、VD导通3.2.3 3.2.3 升降压式变换器升降压式变换器Power Electronics0)(offooniTUTUioUDDU1 D0.5时，Uo/Ui0.5时，Uo/Ui1对电感应用伏对电感应用伏-秒平衡原理：秒平衡原理：（3-25）即即故称：故称： 升升/降式变换器降式变换器Power Electronics2. Cuk2. Cuk变换器的工作原理变换器的工作原理图3-18 Cuk变换器ioUDDU1升升/降式变换器降式变换器Power Electronics3.2.4 63.2

18、.4 6种基本拓朴的比较种基本拓朴的比较变换器拓扑变换器拓扑输出输出-输入电压输入电压变换比变换比Uo/Ui输入电流输入电流纹波纹波输出电流输出电流纹波纹波BuckD大大小小Boost1/(1D)小小大大Buck-BoostD/(1D)大大大大CukD/(1D)小小小小SEPICD/(1D)小小大大ZetaD/(1D)大大小小Power Electronics3.3 3.3 单管隔离式变换电路单管隔离式变换电路v 3.3.1 单端反激变换器单端反激变换器v 3.3.2 单端正激变换器单端正激变换器Power Electronics1. 1. 工作原理工作原理图3-19 单端反激变换器 T兼有隔

19、离和储能兼有隔离和储能电感的作用，故称电感的作用，故称为电感为电感-变压器变压器 根据电感根据电感-变压器的变压器的储能是否连续，反储能是否连续，反激变换器有连续和激变换器有连续和断续两种工作模式断续两种工作模式定义变压器匝比n=N1/N23.3.1 3.3.1 单端反激（单端反激（FlybackFlyback）变换器）变换器Power Electronics（1）连续模式）连续模式图3-20 反激变换器主要波形(CCM) 电感电感-变压器二次变压器二次绕组电流绕组电流i2（也即（也即电感电感-变压器储能）变压器储能）在二极管续流状态在二极管续流状态结束（即结束（即Q将要再将要再次开通）时尚未

20、下次开通）时尚未下降到零降到零 Power Electronics001offooniTTnUTUdtu)1 (DnDUUio对变压器对变压器T的一次绕组应用伏秒平衡原理的一次绕组应用伏秒平衡原理反激变换器是隔离式的升降压式变换器反激变换器是隔离式的升降压式变换器可得 （3-28）Power Electronics另一种分析方法（另一种分析方法（CCM），）， 参见图参见图3-20 ：ononiTiLdtdiLU1111offoffoTiLdtdiLU2222Q导通、导通、VD关断期间关断期间式中L1和i1分别表示T原边电感和电流，i1on=i1m-i1n（3-30） （3-29）Q关断、关断

21、、VD导通期间导通期间式中L2和i2分别表示T副边电感和电流,i2off=i2n-i2mPower Electronics根据磁元件的安匝数不能突变，在根据磁元件的安匝数不能突变，在Q导通和关断的转导通和关断的转换时刻，有换时刻，有 i1mN1=i2mN2，i1nN1=i2nN2所以所以 i1on N1=-i2off N2 （3-31)又又222121NNLL由式（由式（3-29）（）（3-32）也可以导出（）也可以导出（3-28）式）式（3-32)Power Electronics（2）临界连续模式）临界连续模式 图3-21 (a) 临界连续模式主要波形电感电感-变压器副边变压器副边绕组电流

22、绕组电流i2 （也即（也即电感电感-变压器储能）变压器储能）在二极管续流状态在二极管续流状态结束（即结束（即Q将要再将要再次开通）时次开通）时刚好刚好下下降到零降到零 Power Electronics)1)(212DiIIoffDG12)1 (LTnDDUIiG1max8LTnUIiG 负载电流负载电流Io等于二极管电流平均值等于二极管电流平均值ID 临界连续时的临界连续时的Io用用IG表示表示也是当也是当D0.5时，时，IG最大，为：最大，为：Power Electronics（3）断续模式）断续模式Q再次导通之前再次导通之前i2已经下降到零已经下降到零 Toff1图3-21 (b) 断续

23、模式主要波形Power Electronics12)(211offoffoTiTIoiGnUUDI2max4)4/(max2GoioIIDUnU反激变换器在断续模式下的标幺外特性反激变换器在断续模式下的标幺外特性12222offoffoTiLdtdiLUononiTiLdtdiLU1111i1on N1=-i2off N2 Power Electronics图3-22 理想反激变换器的标幺外特性曲线Power Electronics 反激变换器结构简单，在小功率隔离电源中应反激变换器结构简单，在小功率隔离电源中应用广泛，为减小电感用广泛，为减小电感-变压器的体积，变压器的体积，一般设计其电一般

24、设计其电感值较小，令变换器在整个负载范围内都工作在断续感值较小，令变换器在整个负载范围内都工作在断续模式。模式。Power Electronics2. 2. 器件应力分析和参数设计器件应力分析和参数设计只分析断续工作模式只分析断续工作模式Q最大正向电压最大正向电压 Ui+nUoQ电流峰值电流峰值DUPDUPDIiioiiisp2/22式中式中Ii，Po，分别为输入平均电流、输出功率和效率分别为输入平均电流、输出功率和效率Power Electronics132offoDrmsTTII VD最大反向电压最大反向电压 Ui/n+Uo VD电流有效值电流有效值如果设计变换器在最大负载下临界连续，则此

25、时如果设计变换器在最大负载下临界连续，则此时 Toff1=(1-D)TDIIoDrms1132Power Electronics设计反激变换器工作在断续模式，即最大负载电流设计反激变换器工作在断续模式，即最大负载电流Iom不大于临界连续负载电流不大于临界连续负载电流IG，则要求变压器一次侧，则要求变压器一次侧激磁电感激磁电感omoInDTUL2)1 (221滤波电容滤波电容C的设计与的设计与Boost变换器同理变换器同理Power ElectronicsFlyback变换器特点变换器特点: 简单简单(T兼作兼作L)，输入电压范围宽，输入电压范围宽， 输入输出输入输出电流纹波都大，电流纹波都大，

26、Q电压应力高电压应力高 适于小功率应用适于小功率应用 单端隔离式单端隔离式DC-DC变换器，变换器，“单端单端”的含义是指，的含义是指，在一个开关周期内，直流输入功率只从变压器原边绕组在一个开关周期内，直流输入功率只从变压器原边绕组的一端流入。单端隔离式变换器的主要缺点是：功率只的一端流入。单端隔离式变换器的主要缺点是：功率只在开关管导通时间在开关管导通时间DT内输入变压器，变压器磁芯只在内输入变压器，变压器磁芯只在B-H平面第一象限运行，因此磁芯不能得到充分利用。平面第一象限运行，因此磁芯不能得到充分利用。Power Electronics3.3.2 3.3.2 单端正激（单端正激（Forw

27、ardForward）变换器）变换器图3-23 单端正激变换器电路拓扑定义 n=N1/N2 N1：一次绕组：一次绕组N2：二次绕组：二次绕组N3：复位绕组：复位绕组Power ElectronicsQ导通 续流磁复位 续流 （磁复位结束） 连续模式（即滤波电感电流连续）下的工作模态连续模式（即滤波电感电流连续）下的工作模态Power Electronics图3-24 正激变换器主要工作波形（CCM）Power Electronics对电感对电感L列写伏秒平衡方程列写伏秒平衡方程(Ui/n-Uo)DT-Uo(1-D)T=0故故 nDUUio/正激变换器属于降压式变换器正激变换器属于降压式变换器

28、（3-38）Power Electronics1NTUonion3NTURiR311NNND正向磁化正向磁化磁复位磁复位保证完全磁复位、避免磁饱和，即保证完全磁复位、避免磁饱和，即 TRToff onRPower ElectronicsiiUNNU3132NNUi12NNUiQ、VD1、VD2和和VD3 承受的最大电压应力分别为承受的最大电压应力分别为iiUNNU13，Power Electronics3.4 3.4 多管变换电多管变换电路路v 3.4.1 推挽变换器推挽变换器v 3.4.2 半桥变换器半桥变换器v 3.4.3 全桥变换器全桥变换器v 3.4.4 隔离式隔离式DC-DC PWM

29、变换器比较变换器比较Power Electronics3.4.13.4.1推挽（推挽（Push-PullPush-Pull）变换器）变换器图3-25 推挽式DC-DC变换器 定义：定义： N11=N12=N1 N21=N22=N2 n=N1/N2 Q1和和Q2以相同的占以相同的占空比空比D交替导通交替导通 Power Electronics1) 0tTon2) TontT/23) T/2tT/2+Ton4) T/2+TontT在电感电流连续模式，一个开关周期内有四个阶段：在电感电流连续模式，一个开关周期内有四个阶段： Power Electronics（1）0tTon：Q1导通、导通、Q2关断

30、关断，输入电压加在，输入电压加在N11绕绕组、变压器正向磁化，组、变压器正向磁化， “ ”端为正，端为正， VD3导通，导通，VD4截截止，止，A点电位为点电位为Ui/n，iL上升；上升；磁通由磁通由-m变化到变化到m。（2）TontT/2：Q1、Q2都关断都关断，变压器二次绕组电，变压器二次绕组电压消失。电感压消失。电感L电流不能突变，迫使电流不能突变，迫使VD3和和VD4同时导通同时导通续流，若忽略激磁电流，则每个整流管流过续流，若忽略激磁电流，则每个整流管流过iL/2，A点电点电位为零，电感电流位为零，电感电流iL下降。下降。 N21和和N22绕组流过极性相反的电流，使变压器被短绕组流过

31、极性相反的电流，使变压器被短路（端电压为零），保持路（端电压为零），保持磁芯磁通不变磁芯磁通不变(=m)，激磁电，激磁电流通过二次绕组流通，且在本阶段保持不变。流通过二次绕组流通，且在本阶段保持不变。Power Electronics（3）T/2tT/2+Ton：Q2导通、导通、Q1关断，输入电压加在关断，输入电压加在N12绕组、变压器反向磁化，电势均绕组、变压器反向磁化，电势均“ ”端为负，端为负，VD4导导通，通，VD3截止截止, 电感电流电感电流iL上升；磁芯磁通由上升；磁芯磁通由m变化到变化到-m。（4）T/2+TontT：Q1和和Q2都关断，都关断，VD3和和VD4同时导同时导通续流

32、，每个整流管流过通续流，每个整流管流过iL/2，变压器短路，保持磁芯磁，变压器短路，保持磁芯磁通不变通不变(=-m)；iL下降。下降。Power Electronics图3-26 推挽式DC-DC变换器主要波形(CCM)Ui/nPower Electronics电感电流电感电流iL的波动频率是的波动频率是Q1、Q2开关频率的两倍，开关频率的两倍，即即2f（f=1/T）nDUUio/2式中式中D是是Q1或或Q2的占空比，的占空比，D=Ton/T，一个开关周期内，一个开关周期内Q1和和Q2各导通一次，各导通一次，D0.5Power Electronics 推挽变换器的两个开关管推挽变换器的两个开关

33、管Q1和和Q2不能同时导通，否则，不能同时导通，否则，变压器变压器一次一次绕组被短路、使输入电源被短路。绕组被短路、使输入电源被短路。 开关管开关管Q1和和Q2的所承受的电压应力是输入电压的两倍，的所承受的电压应力是输入电压的两倍，实际电路由于变压器的漏感，开关管实际承受的电压应力实际电路由于变压器的漏感，开关管实际承受的电压应力更高，所以推挽变换器不适合用于高压输入的场合；更高，所以推挽变换器不适合用于高压输入的场合； Q1或或Q2导通时，一次电流回路中只有一个管压降，所以导通时，一次电流回路中只有一个管压降，所以推挽变换器适合于低压大电流输入应用。推挽变换器适合于低压大电流输入应用。 反并

34、二极管反并二极管VD1和和VD2用于为激磁电流提供通路及在开用于为激磁电流提供通路及在开关瞬间避免变压器漏感造成的电压尖峰。关瞬间避免变压器漏感造成的电压尖峰。 特点：特点：Power Electronics3.4.23.4.2半桥变换器半桥变换器图3-27 半桥式DC-DC变换器 C1=C2 Q1和和Q2以相同的以相同的占空比占空比D交替导通交替导通 定义定义n=N1/N2Power Electronics1) 0tTon2) TontT/23) T/2tT/2+Ton4) T/2+TontT在电感电流连续模式，一个开关周期内有四个阶段：在电感电流连续模式，一个开关周期内有四个阶段：Powe

35、r Electronics（1）0tTon：Q1导通、导通、Q2关断，变压器一次电压关断，变压器一次电压uAB为为Ui/2、“”端为正。二次侧端为正。二次侧VD1导通，导通，VD2截止，电感截止，电感电流电流iL上升；变压器磁芯磁通由上升；变压器磁芯磁通由-m变化到变化到m。 输入电流通过输入电流通过Q1流入变压器，再流过流入变压器，再流过C2回到电源负回到电源负端。端。C2充电、充电、C1放电，放电，B点电位略上升，但由于电容值点电位略上升，但由于电容值很大，所以很大，所以B点电位纹波很小、可以忽略。点电位纹波很小、可以忽略。（2）TontT/2：Q1和和Q2都关断，与推挽变换器同理，都关断

36、，与推挽变换器同理，一次侧电流为零，副边一次侧电流为零，副边VD3和和VD4同时导通续流、各流同时导通续流、各流过一半电感电流过一半电感电流(忽略激磁电流忽略激磁电流)，变压器短路、保持磁，变压器短路、保持磁芯磁通不变（芯磁通不变（=m）。电感电流）。电感电流iL下降。下降。Power Electronics（3）T/2t T/2+Ton：Q2导通、导通、Q1关断，变压器原边电关断，变压器原边电压压Ui/2、但、但“”端为负。副边端为负。副边VD2导通，导通，VD1反偏截止，电反偏截止，电感电流感电流iL上升；变压器磁通由上升；变压器磁通由m变化到变化到-m。 C1充电、充电、C2放电。放电。

37、B点电位略下降。点电位略下降。（4）T/2+TontT：Q1和和Q2都关断，都关断，VD3和和VD4同时导同时导通续流；变压器磁芯磁通保持在通续流；变压器磁芯磁通保持在-m。Power Electronics图3-28 半桥式DC-DC变换器连续模式主要工作波形忽略忽略C1、C2电压纹波电压纹波Power Electronics电感电流的波动频率也是电感电流的波动频率也是Q1、Q2开关频率的两倍，电开关频率的两倍，电压传输比压传输比nDUUio/式中式中D为一个开关周期为一个开关周期T内内Q1或或Q2的占空比，的占空比，D=Ton/T，如图如图3-28，D0.5Power Electronic

38、s 半桥电路中开关管承受的电压仅为半桥电路中开关管承受的电压仅为Ui，是推挽电路的，是推挽电路的一半。一半。 Q1、Q2不能同时导通，否则将电源短路，将造成晶体不能同时导通，否则将电源短路，将造成晶体管损坏。管损坏。C1、C2的电容值影响电容中点电位的纹波电压的电容值影响电容中点电位的纹波电压但不影响其平均电压。但不影响其平均电压。 为保证变压器对称磁化、避免偏磁，为保证变压器对称磁化、避免偏磁，Q1和和Q2必须对称必须对称工作，而且工作，而且C1和和C2的电容值也必须尽量接近。的电容值也必须尽量接近。特点：特点：Power Electronics3.4.3 3.4.3 全桥变换器全桥变换器图

39、3-29 全桥变换器Power Electronics全桥变换器的调制：全桥变换器的调制： 可以令可以令Q1、Q4和和Q2、Q3两组开关管分别以占空比两组开关管分别以占空比D交替导通，在变压器原边交替导通，在变压器原边uAB得到电压得到电压Ui、0和和-Ui。 移相控制（见移相控制（见3.6节）节）Power Electronics 桥式变换器中晶体管承受的电压与半桥一样，为输桥式变换器中晶体管承受的电压与半桥一样，为输入电压，流过晶体管的电流，在相同的输出功率时，全入电压，流过晶体管的电流，在相同的输出功率时，全桥是半桥的一半。与推挽电路比较，桥式电路中晶体管桥是半桥的一半。与推挽电路比较，

40、桥式电路中晶体管承受的电压为电源电压，而推挽中为电源电压的两倍；承受的电压为电源电压，而推挽中为电源电压的两倍；桥式输出可以有变压器，也可没有变压器，推挽则必须桥式输出可以有变压器，也可没有变压器，推挽则必须具有变压器。另外加在变压器初级的电压，推挽只一个具有变压器。另外加在变压器初级的电压，推挽只一个晶体管饱和电压，而桥式为两个，因此推挽电路适用于晶体管饱和电压，而桥式为两个，因此推挽电路适用于低输入电压场合，而桥式电路适用于高输入电压。低输入电压场合，而桥式电路适用于高输入电压。特点：特点：Power Electronics图3-30 整流滤波电路(a) 变压器中心抽头整流电路 (b) 桥

41、式整流电路 (c) 倍流整流电路 桥式整流整流管承受的电压应力最低，适于高压输出；桥式整流整流管承受的电压应力最低，适于高压输出； 倍流电路整流管和滤波电感承受的电流应力最小，变压倍流电路整流管和滤波电感承受的电流应力最小，变压器也没有中心抽头，适于低压大电流输出。器也没有中心抽头，适于低压大电流输出。 其它整流电路形式：其它整流电路形式：Power Electronics3.4.4 3.4.4 隔离式隔离式DC-DC PWMDC-DC PWM变换器比较变换器比较单端式双端式正激反激推挽半桥全桥Uo/UinD/nD/(1-D)n)2D/nD/n2D/n主开关管最大电压应力2Ui注1Ui+nUo

42、2UiUiUi注注1 在图在图3-23 N3N1条件下条件下表表3-2 隔离式隔离式DC-DC开关变换器比较开关变换器比较n =N1/N2, N1和和N2分别为变压器原边和副边绕组匝数分别为变压器原边和副边绕组匝数Power Electronics图3-31 Bi Buck-Boost变换器3.5 3.5 双向双向DC-DCDC-DC变换器变换器Power Electronics方式方式I：Buck方式方式 能量从能量从U1至至U2，电感电流，电感电流iL平均值为正平均值为正 输出电压输出电压U2DBuckU1，式中，式中DBuck为为Q1的占空比的占空比 图3-32 Bi Buck-Boos

43、t变换器电流波形(a) 方式Q1 on Q2 on VD2 off VD1 offPower Electronics方式方式II：Boost方式方式 能量从能量从U2至至U1，电流，电流iL为负为负 输出电压输出电压U1U2/(1-DBoost)，式中，式中DBoost为为Q2的占空比。的占空比。 由于由于Q2、Q1互补工作，因此互补工作，因此DBoost1-DBuck 图3-32 Bi Buck-Boost变换器电流波形(b) 方式IIPower Electronics方式方式III：交替方式：交替方式BuckDUU12BoostDUU1121 DBuck为为Q1的占空比，的占空比，DBoo

44、st为为Q2的占空比的占空比 Q1和和Q2互补导通，互补导通，DBoost1-DBuck 一个开关周期内一个开关周期内iL正负交替正负交替或Power Electronics交替方式下：交替方式下：minmaxLLiiminmaxLLiiminmaxLLii一个开关周期内，电感电流一个开关周期内，电感电流iL平均平均值为零，这表示在一个开关周期内从值为零，这表示在一个开关周期内从U1流向流向U2的能量等于从的能量等于从U2反向流入反向流入U1的能量，即平均传递功率为零。的能量，即平均传递功率为零。平均功率从平均功率从U1向向U2侧传输侧传输平均功率从平均功率从U2向向U2侧传输。侧传输。Pow

45、er Electronics3.6 3.6 软开关变换器软开关变换器v 3.6.1 准谐振变换器准谐振变换器v 3.6.2 ZVS-PWM和和ZCS-PWM变换器变换器v 3.6.3 ZT-PWM变换器变换器v 3.6.4 移相控制全桥变换器移相控制全桥变换器v 3.6.5 有源钳位软开关变换器有源钳位软开关变换器v 3.6.7 广义软开关广义软开关PWM技术技术Power Electronics图3-34 硬开关过程图3-35 理想零开关过程开关电压开关电压/电流波形不电流波形不交叠的技术，即所谓零交叠的技术，即所谓零电压电压/零电流开关技术零电流开关技术 功率管在开关过程中功率管在开关过程

46、中,其端电压其端电压和流过的电流波形有交叠，因而和流过的电流波形有交叠，因而有很大的瞬时开关损耗有很大的瞬时开关损耗 Power Electronics 应用应用LC谐振原理谐振原理，使开关变换器的开关器件中电流使开关变换器的开关器件中电流(或或电压电压)按准正弦规律变化，当电流自然过零时，使器件开通按准正弦规律变化，当电流自然过零时，使器件开通和关断，称为零电流谐振开关，简称和关断，称为零电流谐振开关，简称零电流开关零电流开关（ZCS，Zero Current Switch）；或电压为零时）；或电压为零时,使器件开通和关断，使器件开通和关断，称为称为零电压开关零电压开关（ZVS，Zero V

47、oltage Switch） 3.6.1 3.6.1 准谐振变换器准谐振变换器 谐振开关由半导体功率开关和电感、电容组成谐振开关由半导体功率开关和电感、电容组成 若在一个开关周期内有谐振运行区间、也有非谐振运行若在一个开关周期内有谐振运行区间、也有非谐振运行区间，则称为准谐振变换器（区间，则称为准谐振变换器（QRC，Quasi Resonant Converter）。）。Power Electronics 谐振开关单元代替谐振开关单元代替PWM变换器中的单个开关，可以变换器中的单个开关，可以组成各种准谐振变换器。组成各种准谐振变换器。 图图3-36 a)、b)分别表示分别表示Buck型型ZCS

48、和和ZVS半波准谐振半波准谐振变换器变换器 (QRC，Quasi-Resonant Converter)，虚线框内，虚线框内为为ZCS或或ZVS谐振开关谐振开关 谐振电感谐振电感Lr包括电路中可能有的杂散电感和变压器包括电路中可能有的杂散电感和变压器漏感，谐振电容漏感，谐振电容Cr包括功率开关管结电容。包括功率开关管结电容。 Power Electronics图3-36 Buck型半波准谐振变换器(a) ZCS-QRC (b) ZVS-QRCPower Electronics 为简化分析，假设输出滤波电感很大，忽略电感电流纹为简化分析，假设输出滤波电感很大，忽略电感电流纹波、电感等效为恒流源波

49、、电感等效为恒流源Io 一个开关周期可分为一个开关周期可分为4个工作模态个工作模态 设设Q开通前开通前VD流过负载电流流过负载电流Io，此时，此时UVD0、Ucr=Ui tt0时开通时开通Q。以图以图3-36a ZCS-QRC Buck变换器为例，分析工作原理：变换器为例，分析工作原理：Power Electronics模态模态I： tott1, 线性阶段线性阶段 t=to时时D处于续流状态、流过电流处于续流状态、流过电流Io； Lr上感应电势为上感应电势为Ui，流过开关管的电流流过开关管的电流ids线性上升，线性上升，tt1时升至时升至Io模态模态II： t1tt2， 谐振阶段谐振阶段tt1

50、时输入电流时输入电流ids升至升至Io，因此，因此D电流下降到零而截止。电流下降到零而截止。LrCr谐振、谐振、ids继续上升，继续上升，ids除供给负载电流除供给负载电流Io外，还以外，还以ids-Io对电容对电容Cr反向谐振充电，到反向谐振充电，到tt2时，时，ids0，由于，由于VDr的作的作用、用、ids不能反向流动、维持为零，不能反向流动、维持为零，Q相当于关断相当于关断Power Electronics模态模态III： t2tt3， 恢复阶段恢复阶段ids0时关断时关断Q。电容。电容Cr以以Io恒流充电、电压恒流充电、电压ucr线性上升，线性上升，并在并在tt3时上升到时上升到Ui

51、。此阶段电压源。此阶段电压源Ui向负载供电向负载供电模态模态IV： t3tt4， 续流阶段续流阶段当当ucr上升到上升到Ui时，续流管时，续流管VD导通续流导通续流调节调节Q关断时间、即调节续流时间，就可以控制输出电压关断时间、即调节续流时间，就可以控制输出电压Power Electronics图3-37 Buck型半波准谐振变换器工作波形(a) ZCS-QRC (b) ZVS-QRCPower Electronics通过以上分析，还可以发现，对于通过以上分析，还可以发现，对于ZCSQRC：（1）开关管上承受较大的电流应力。）开关管上承受较大的电流应力。（2）开关频率与负载）开关频率与负载Io

52、、Uo/Ui等有关，换言之，需等有关，换言之，需要变频控制实现稳压。要变频控制实现稳压。Power Electronics3.6.2 ZVS-PWM3.6.2 ZVS-PWM和和ZCS-PWMZCS-PWM变换器变换器 在开关转换过程工作在在开关转换过程工作在准谐振方式准谐振方式、达到零电流或零、达到零电流或零电压开关，而在导通和关断期间（即一个开关周期内的电压开关，而在导通和关断期间（即一个开关周期内的大部分时间）工作在大部分时间）工作在PWM方式方式，这就是零电压（，这就是零电压（ZVS）-PWM和零电流（和零电流（ZCS）-PWM变换器变换器 Power Electronics图3-38

53、 Buck ZCS-PWM变换器 在基本在基本Buck变换器（图变换器（图3-4）的基础上增加了）的基础上增加了ZVS辅助单元，辅助单元，图中图中Lr、Cr分别为谐振电感和谐振电容，分别为谐振电感和谐振电容，Q1为辅助开关（体二为辅助开关（体二极管极管VD1） i1Power Electronics工作原理分析：工作原理分析：假设：假设： 电路已经进入稳态，输出滤波电感工很大、在开关过程电路已经进入稳态，输出滤波电感工很大、在开关过程中流过电感电流不变，可以看作恒流源中流过电感电流不变，可以看作恒流源Io。一个开关周期。一个开关周期可分为可分为6个工作模态个工作模态 tt0时时Q和和Q1关断、

54、负载电流关断、负载电流Io由由VD续流。续流。tt0时开通主时开通主管管QPower Electronics模态模态I: tott1， 线性阶段线性阶段tt0时时Q开通、开通、Q1仍关断。仍关断。VD续流、续流、uVD0，VD1截止、截止、ucr0。电流。电流i1线性上升、线性上升、iD(iD=Io-i1)线性下降线性下降 tt1时时iD下降为零，下降为零，D截止，截止，i1=Io 模态模态II: t1tt2 准谐振阶段准谐振阶段VD截止后，端电压上升，使截止后，端电压上升，使VD1导通。导通。Lr和和Cr谐振，谐振，i1按按正弦半波变化，当正弦半波变化，当tt2时时i1又降至又降至Io、uc

55、r充电到充电到2Ui，VD1截止截止Power Electronics模态模态III： t2tt3， PWM阶段阶段此阶段主管此阶段主管Q导通，与导通，与PWM变换器变换器Ton状态相同状态相同模态模态IV： t3tt4， 准谐振阶段（准谐振阶段（ZCS）在主管在主管Q关断之前，开通辅助管关断之前，开通辅助管Q1，Lr与与Cr谐振，谐振，Cr放电、放电、i1减小（减小（i1Io-icr），并变负流过），并变负流过Q的体二极管的体二极管VD2。在。在i1过零后关断过零后关断Q，i1谐振由负回升、谐振由负回升、tt4时回零。时回零。Q零电流零电流关断。由于此时关断。由于此时ucr尚未下降到零，所以

56、尚未下降到零，所以Q端电压端电压uds突变突变为为Ui-ucrPower Electronics模态模态V： t4tt5， 恒流放电阶段恒流放电阶段Q关断后，关断后，Cr以恒流以恒流Io放电、放电、ucr线性下降直至零、线性下降直至零、uds线性线性上升直至上升直至Ui。模态模态VI： t5tt6， 续流阶段续流阶段ucr降至零并试图反向时、续流管降至零并试图反向时、续流管VD导通，进入导通，进入PWM续流续流阶段，此时可关断辅助管阶段，此时可关断辅助管Q1（ZCS）。）。Power Electronics图3-40 Buck ZCS-PWM变换器工作波形i1Power Electronics

57、由以上分析可见，由以上分析可见，与准谐振变换器相比，与准谐振变换器相比，ZS-PWM 变换器增加了一个辅助开关，来控制变换器在一个开变换器增加了一个辅助开关，来控制变换器在一个开关周期内交替运行于准谐振方式和关周期内交替运行于准谐振方式和PWM方式，实现方式，实现主开关管的零电流或零电压开关、低应力和主开关管的零电流或零电压开关、低应力和PWM控控制。制。Power Electronics3.6.3 ZT-PWM3.6.3 ZT-PWM变换器变换器 ZVS和和ZCS-PWM变换器的谐振元件串联在主电路变换器的谐振元件串联在主电路内，因此零开关条件与电源电压、负载电流的变化范围内，因此零开关条件

58、与电源电压、负载电流的变化范围有关，轻载下有可能无法实现零开关有关，轻载下有可能无法实现零开关 零转换（零转换（ZT, Zero Transition）-PWM变换器变换器，谐振网，谐振网络与主开关并联，从而扩大了满足络与主开关并联，从而扩大了满足ZVS或或ZCS条件的负条件的负载或电网变化范围载或电网变化范围 零转换变换器也有两类：零电流转换（零转换变换器也有两类：零电流转换（ZCT，Zero Current Transition）和零电压转换（）和零电压转换（ZVT，Zero Voltage Transition）Power Electronics 主开关主开关Q并联一个谐振网络，由谐振电

59、容并联一个谐振网络，由谐振电容Cr(包括包括Q的输出电容的输出电容)、谐振电感、谐振电感Lr、辅助开关、辅助开关Q 及二极管及二极管VD 组组成。成。 辅助开关辅助开关Q 先于主开关先于主开关Q导通，使谐振网络工作，导通，使谐振网络工作，电容电容C电压电压(即主开关电压即主开关电压)谐振下降到零，创造了主开谐振下降到零，创造了主开关零电压开通条件。关零电压开通条件。举例：举例：图图3-41 Boost 型型ZVT-PWM变换器变换器Power Electronics3.6.43.6.4移相控制全桥变换器移相控制全桥变换器 移相全桥移相全桥(PS FB，Phase-Shifting Full B

60、ridge) ZVS-PWM变换器是目前应用最为广泛的软开关变换器之一。变换器是目前应用最为广泛的软开关变换器之一。在移相控制技术的基础上，利用功率在移相控制技术的基础上，利用功率MOS管的输出电管的输出电容和变压器的漏电感（或外加谐振电感）作为谐振元件，容和变压器的漏电感（或外加谐振电感）作为谐振元件，使使FB PWM变换器四个开关管依次在零电压下开通。电变换器四个开关管依次在零电压下开通。电路简单，适用于较大功率应用场合。路简单，适用于较大功率应用场合。Power Electronics Q1、Q2、Q3、Q4四个开关依次四个开关依次ZV开开通，通，Q1和和Q3的开通的开通相位分别超前于相