电源基础知识DC-DC

1、1第一节：概述定义DC-DC：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一.直流变换电路的分类1.换流过程分为:电压换流电流换流2.降压电路升压电路升降压电路 或douu douu douu douu 2 单向限电路双向限电路四象限电路3.均为一个方向和 其中之一改变方向 均改变方向00,IU0U0I00,IU4.单相电路:只有一个电路m相电路:有m个基本电路,采用时分复用的方法二.理想直流变换应具备的性能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,抑制能力强4.高效率小型化33.1.Driving:电车,地铁,电动汽

2、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四.Typical topologies:Buck,Boost,Buck-Boost, Cuk三.Application4第二节:单象限降压型电路一.电路T是全控元件(GTR,GTO,MOSFET,IGBT),当 时,T导通, 0DTtD:续流二极管L0和C0组成LPF56二.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

3、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7四.电路各点的波形8五.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,TDTt LCtDTtLUItiLL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 9所以(2)式改写为:DTLUUIIdLL00(5)2.伏秒平衡定律的证明：电流增量：DTLUUIIIdLL00由式

4、（4）得到：)(00DTTLUIIILL（6）所以有)(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(7)(8)(9)103.输出电压增益doVUUA 输出电压平均值输入电压平均值由(8)式得:DUUAdV0dDUU 0(10)当D改变,U0改变4.输入电流平均值Id00IUUIPddddIDI10输入功率电流输出电压输出电流115.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:, 0,0CLiIi

5、C放电12当 时,电容充电,其电荷量为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 DTIDTISLL812121211在 时,阴影部分的面积为:21,0TDDTDTt2)1 (,21TDDTDTt13TDITDISLL00281)21()21(21TITDIDTISSQLLL88181021TCICQUL0008把式(7) 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0DHD00COMC002008UUfLDCH

6、OM146.保持电流连续的临界电感值由 的图形可知,Li由(7)式可知TDLUIIIIL0000022当 时, 电流处于临界连续状态0ILiTDLUIK0000222000000TDRTDIULk当 取最大值时,0DkmKHLLDD0000,2000TDRLHkm当 时, 处于连续状态kmLL00Li15六.电流断续时的状况1.求Av根据伏秒平衡律:PdVpdPdDDDUUAUDDDUTDUDTUU0000)()(2.求DpTDLUIP00平均电流:)(2)(21)(21000PPPPDDTDLUDDITTDDIIDTTCuLiLuDTDpTI0uud16202PpoDDDTRL解得:2/80

7、02TRLDDDP200/8112TDRLAVooPPRUDDTDLUI)(200017七、Typical ApplicationsBuckThree PhasesInvertersAC motor交流调速系统BuckSignal PhasesInvertersHid LampilluminingsystemBuckLow v/high ILoadSwitching power supplesystem 二次电源BuckHigh V/Low ILoadSwitching power supplesystem一次电源18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。

8、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，画出电容器高频等效电路，并说明其频率特性。19第三节:单象限升压型直流变换电路一.电路二.工作原理, 0DTt dLDTiUuoffVonVu, 0当0,/,/, 0,UuuonVoffVuTDTtdLDTi三.连续模型分析1.直流增益Av根据伏秒平衡律:0001)1)(DUUATDUUDTUdVdd20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 in

9、crease,the equivalent circuitMode2:DTt112.输入电流脉动输入电流增量:输入电感电流的最大值:LdddIILDTUdddLddmLDTUIIII221由无耗性可知:000000000,RUDDIDDIUUIIUIUdddd)2(0000ddmLTDRDDUI283.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LiLeLII29在求均值时,电感短路,电

10、容开路,所以:00000111DDDIIIIIIIdLdL00DIIL02000200020202RDrPrRDUIDrIrILLLLL02011RDrL作业：计算T和D的耐压。30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31三.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

11、 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VToff,VDon 等效电路VTon,VDoff 等效电路01UUudC32四.电路分析(连续模型)1.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00Tcdti332.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 01UUUCd01UUUdC34L2电压

12、的瞬态值:2LudCUUu010U, 0DTt ,TDTt （3）结论:如果2121,LLuuCC则（4）根据伏秒平衡律:000)1 (TUDTUDDTUdDDDDAV001(5)35CUK: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)36上式说明:如果 如果,1dILdIL,2式（7)和式(8)相除得:dtdiLdtdiLLLIIdd102120上式再次证明了 的结论21LLuu输

13、入电流的最大值:输出电流的最大值:10022LDTUIDDIIIddddm(9)200002LDTUIIIIdm(10)VT电流最大值,mdmTMIII037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)386.考虑L1,L2内阻的分析均值等效电路01010dVURrArU0111RrrK令010VdAKUU01000011VdddAKUDDRUrUrIU0000RUDDIDDICd10101010010111KRrAKAKDDRrUUAVVdV39第六节:双象限直流电压变换电路一.双象限电路的分类输出电流平均值I0极性可变原理: 当 ,当000RUDUI

14、d0,00IUDUd0,00IUDUd输出电流:负载等效电压:输出电压: 恒大于零0I0UdDUU 0应用: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40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411.等效电路:2.求

15、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R=0,根据 的瞬态表达式0u0000UudtdiL0u+-0i42第七节:四象限桥式直流变换电路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 43的平均值0udddUDTTDUDTUU) 12()1 (0由上式可知:U

16、0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,输出电压仅有幅度变化而无极性 变化当0, 0 uus, 0DTt ,TDTt du0当0, 0 uus, 0DTt ,TDTt du044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D0T45三种情况:时区A, D0.5, I00,时区B, D=0.5, I0=0,时区C, D0.5, I00,0udUdU0udUdU0udUdU控制信号与占空比D的关系SMsUuD)1 (21最大控制电压46工作过程分析:只讨论D=0.5offVuuDTtTgg4,24,23,