第2篇1直流直流变换

SchoolofElectricPower,SouthChinaUniversityofTechnology第二篇电力电子电路

(I)直流-直流变换

ChenYanfengeeyfchen@2012.9

目录2.1 DC-DC变换的基本控制方式 2.1.1时间比控制 2.1.2 瞬时值控制

2.2 基本DC-DC变换器 2.2.1 Buck变换器 2.2.2Boost变换器 2.2.3 Boost-Buck变换 2.2.4 Cuk变换器2.3复合斩波电路和多相多重斩波电路2导言直流斩波电路（DCChopper，）将直流电变为另一固定或可调的直流电也称为直接直流--直流变换器（DC/DCConverter）一般是指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流－交流－直流DC-DC变换技术可降压、升压和变阻3导言直流斩波电路（DCChopper，）直流斩波技术广泛应用于直流电机调速、蓄电池充电、开关电源等方面，节能效果巨大（一般可节电（20～30）%）。在AC-DC变换中，还可采用不控整流加直流斩波调压方式替代晶闸管相控整流，以提高变流装置的输入功率因数，减少网侧电流谐波和提高系统动态响应速度。

4导言DC-DC变换器主要有以下几种形式：Buck（降压型）变换器；Boost（升压型）变换器；Boost-Buck（升-降压型）变换器；Cúk变换器；桥式可逆斩波器复合斩波和多相、多重斩波电路其中Buck和Boost为基本类型变换器，Boost-Buck和Cúk为组合变换器，桥式可逆斩波器则是Buck变换器的拓展。复合斩波和多相、多重斩波电路，它们是基本DC-DC变换器的组合。52.1DC-DC变换的基本控制方式DC-DC变换是采用一个或多个开关（功率开关器件）将一种直流电压变换为另一种直流电压。在输入电压E恒定条件下，控制开关的通、断时间的相对长短，便可控制输出平均电压U0的大小，实现了无损耗直流调压。从工作波形来看，相当于是一个将恒定直流进行“斩切”输出的过程，故称斩波器

图4-1DC-DC变换器原理电路及工作波形62.1.1时间比控制DC-DC变换中采用最多，通过改变斩波器的通、断时间而连续控制输出电压的大小。

改变导通比可改变输出电压平均值U0，而导通比的变化又是通过对T、ton控制实现的。时间比控制有以下几种方式：脉宽控制：频率固定，改变导通时间控制输出电压U0大小，常称定频调宽，或脉宽调制（直流PWM）。频率控制：固定导通时间，改变周期T来改变导通比的控制方式。实现电路较简单，但由于斩波频率变化，滤波电路较难设计。混合控制：既改变斩波频率、又改变导通时间的控制方式，其优点是可较大幅地改变输出电压平均值，但由于斩波频率变化，滤波困难。72.1.1时间比控制脉宽调制原理

图（a）为一电压比较器，UT为频率固定的锯齿波或三角波电压，Uc为直流电平控制信号，其大小代表期望的斩波器输出电压平均值。当Uc>UT，比较器输出高电平；当Uc<UT，比较器输出低电平，从而获得斩波器功率开关控制信号。改变Uc大小，即可改变斩波器开关导通时间，在UT固定条件下，斩波器开关频率固定，实现了定频调宽。

开关频率固定，为消除开关频率谐波的滤波器设计提供了方便。82.1.2瞬时值控制调制原理

在恒值（恒压或恒流）控制或波形控制中，常采用瞬时值控制的斩波方式。此时将期望值或波形作为参考值U*，规定一个控制误差ε，当斩波器实际输出瞬时值达上限U*+ε时，关断斩波器；当斩波器实际输出瞬时值达下限U*-ε时，导通斩波器，从而获得围绕参考值在误差带2ε范围内的斩波输出。上图为实现恒流瞬时值控制原理性框图及波形。采用瞬时值控制时斩波器功率器件的开关频率较高，非恒值波形控制中开关频率也不恒定，此时要注意功率器件的开关损耗、最大开关频率的限制等实际应用因素，确保斩波电路的安全、可靠工作。9变换器稳态原理分析稳态:电压波形和电流波形变成周期性波形.此时，占空比在fs固定时为常值。电感伏秒平衡原理:稳态时,电感两端的电压在一个开关周期中积分为0.可以证明:稳态时,

电感在一个开关周期内吸收的平均功率为0.如果电感两端电压在一个开关周期内的积分不为0,则电感电流的幅值会不断增加.故:因为:[积分单位为Vs(伏秒)]10变换器稳态原理分析(续)电容电荷(安秒)平衡原理:稳态时,流过电容的电流在一个开关周期中的积分为0.可以证明:稳态时,

电容在一个开关周期内吸收的平均功率为0.如果流过电容的电流在一个开关周期内的积分不为0,则电容电压的幅值会不断增加.故:因为:[积分单位为As(安秒)]稳态:电压波形和电流波形变成周期性波形.此时，占空比在fs固定时为常值。112.2.1单象限降压型电路－－Buck电路主电路由全控型开关管VT、二极管VD、储能元件L和C组成,L、C接成低通filter基本假定所有器件的开关过程均在瞬间完成；VT和VD的内阻均为ron，滤波电感直流内阻为rL，等效直流内阻r0=ron+rL；直流电源无纹波、直流母线电感为零；输出滤波电感足够大、输出滤波电容足够大,uo=Uo12Buck电路的基本工作原理CCM模式1：VT导通时（ton期间），电源电压Ud通过开关VT加到二极管VD和输出滤波电感L、输出滤波电容C上，VD承受反压截止。假设r0=0，即忽略器件和滤波电感的内阻，电感电压为iL线性增长13Buck电路的基本工作原理CCM模式2：VT关断时（toff期间），iL通过二极管VD续流此时加在电感L上的电压为iL线性减小14电感伏秒平衡原理电感电压与电感电流的关系稳态时，电感电压uL在一个开关周期T内对时间的积分为零－－电感伏秒平衡原理15电流连续状态下的外特性分析若r0=0时，输出电压为直流输出电压和输入电压的比值（直流电压增益AV）为AV<1，故称降压电路16电流连续状态下的外特性分析若r0>0时，根据电感伏秒平衡，有则直流电压增益为输出电压除与占空比D相关外，且随Io和ro的增大而下降。17电流连续状态下的外特性分析带电动机负载(阻感性)的情况其中，R为电路等效电阻（含电动机电枢电阻），EM为反电动势，Ce为电机常数，f为磁通量，n为电动机转速为自然空载转速，即电动机的额定转速改变占空比D的大小即可改变电动机转速n。18电流断续状态下的外特性分析当电感L较小，不能维持电感电流连续时，降压斩波电路出现第三种开关模态。T-ton-tx期间，VT和VD均截止，iL为零，电感电压也为零。r0=0时，直流电压增益为其中192.2.1Buck(降压)变换器电流连续与否的临界状态是VT关断结束时（或导通开始时）电感电流为0，临界电感为LC；临界状态电感电流平均值ILB为其峰值的一半。临界状态电流临界连续波形由得与开关频率成反比L〈LC，DCML〉LC，CCM202.2.1Buck(降压)变换器临界电感当L〈LC时，工作于DCM模式；对于确定的电感L，R〉Rc时工作于DCM模式临界状态电流临界连续波形212.2.1Buck(降压)变换器若电感电流临界连续状态下保持E、T、L及α不变，减少输出负载电流（增大负载电阻），则电感电流的平均值将小于其临界平均值，变换器进入DCM模式。其特征是二极管提早关断，在电感电流为0期间，负载电流将由滤波电容供给，电感电压为0，根据伏秒平衡原理DCM电流断续时波形

22Buck电路的开环外特性在电流连续状态下，AV除与D相关外，且随Io和ro的增大而下降。在电流断续状态下，AV明显依从于负载电流Io由于特性软化，负载电流的变动将引起Uo的强烈变化。若要维持Uo不变，必须大幅度改变占空比D在空载下，对任一占空比，AV=1AV232.2.1Buck(降压)变换器滤波器设计（CCM为例）由电感电流纹波为242.2.1Buck(降压)变换器可通过对电流连续时输出电容电压的纹波的计算来估算L、C值。因iL=io+iC,假定滤波后负载电流平直，即io=Io,则电感电流的脉成分全部流入电容，即：滤波器设计以CCM为例（续）252.2.1Buck(降压)变换器忽略开关损耗，开关管和二极管的导通损耗为：变换器效率VT的通态电阻VD的正向压降变换器的效率：262.2.2单象限升压型电路－Boost电路工作原理主电路由开关管VT、二极管VD、电感L和电容C组成;VT通时，Ud向L充电，VD承受反压关断；同时C向负载R供电（要求C足够大）。电路直流内阻r0=0时，电感电压uL为电感电流线性上升电感储能27Boost电路的基本工作原理VT断时，VD续流导通，Ud和L共同向C充电并向负载R供电。此时，电感电压uL的大小为电感电流线性减小28电流连续状态下的外特性分析电感伏秒平衡原理直流电压增益

AV1，故为升压电路。上述分析假定VT导通时Uo不变，但实际C值不可能无穷大，在此阶段向负载放电而使Uo有所下降，故实际输出电压会略低.29如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即该式表明，升压斩波电路也可看成是直流变压器。根据电路结构得出输出电流的平均值Io为

电源电流I1为：Boost变换器-电流变换关系升压斩波电路及其工作波形30Boost变换器临界电感为LC；临界状态电感电流平均值ILB为其峰值的一半。Boost输入电流的平均值等于电感电流平均值临界状态电流临界连续波形由得与开关频率成反比L〈LC，DCML〉LC，CCM31Boost变换器临界电感当L〈LC时，工作于DCM模式；对于确定的电感L，R〉Rc时工作于DCM模式临界状态(续）电流临界连续波形32Boost变换器若电感电流临界连续状态下保持E、T、L及α不变，减少输出负载电流（增大负载电阻），则电感电流的平均值将小于其临界平均值，变换器进入DCM模式。根据伏秒平衡原理DCM电流断续时波形

33电流断续状态下的外特性分析输入输出电压关系开环外特性－－适用于直流调速系统，输出电压Uo随电动机转速变化需要在大范围内调整（通过改变占空比D实现）34电流断续状态下的外特性分析对于开关电源，需要输出电压Uo保持恒值，并要求在Ud发生变化时通过调节占空比D来维持Uo不变。Uo为恒值时的外特性在电流断续区，为保持Ud/Uo为恒值，占空比应随Io变化；空载时，对于所有的Ud/Uo

，占空比值都为零。35考虑电路内阻r0时的工作情况分析假设电路工作在电流连续状态

时，输出电压Uo为最大值D<Dm时，D增大，Uo增加D>Dm时，D增大，Uo减小由于r0的存在，D趋于1时，Uo趋于0，电路不会失控。36Boost变换器滤波器设计（CCM为例）由电感电流纹波为Boot电感电流纹波的峰值要比Buck变换器的大37Boost变换器开通阶段由C提供Io,平均电容电流等于平均输出电流。关断阶段，C充电电流由I2-Io减小至I1-Io关断和开通阶段电容电流平均值相等。滤波器设计以CCM为例（续）Boost变换器中，L起储能作用，而不是作为输出filter,因而其输出纹波通常比Buck变换器的要大38典型应用直流电动机传动单相功率因数校正（PFC）电路其他交直流电源中Boost变换器典型应用用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路39通常是用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源实际电路中电感L值不可能为无穷大，因此该电路和降压斩波电路一样，也有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态此时电机的反电动势相当于电源，而此时的直流电源相当于负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。Boost变换器典型应用用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路40

电路分析 V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得

R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。设i1的初值为I10，得

Boost变换器典型应用用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路41

电路分析 V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得

设i2的初值为I20Boost变换器典型应用用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路42当电流连续时，t=ton时刻i1=I20，t=toff时刻i2=I10，由此可得：

Boost变换器典型应用43由以上两式求得：用泰勒级数线性近似，得Boost变换器典型应用44当电枢电流断续时当t=0时刻i1=I10=0，当t=t2时，i2=0，求出i2持续的时间tx为Boost变换器典型应用45当电枢电流断续时当tx<toff时，电路为电流断续工作状态，tx<toff是电流断续的条件，即

根据此式可对电路的工作状态作出判断。Boost变换器典型应用462.2.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路1.升降压斩波电路 设L值很大，C值也很大。使电感电流iL和电容电压即负载电压uo基本为恒值。升降压斩波电路及其波形472.2.3升降压斩波电路基本工作原理V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。升降压斩波电路及其波形48升降压斩波电路稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即当V处于通态期间，uL=E；而当V处于断态期间，uL=-uo。于是：所以输出电压为：升降压斩波电路及其波形49升降压斩波电路输出电压为：

改变导通比a，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0<a<1/2时为降压，当1/2<a<1时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。也有文献直接按英文称之为buck-boost变换器（Buck-BoostConverter）升降压斩波电路及其波形50升降压斩波电路设电源电流i1和负载电流i2的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有

由上式可得：

升降压斩波电路及其波形51升降压斩波电路如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。升降压斩波电路及其波形52V通时，E-L1-V回路和R-L2-C-V回路分别流过电流V断时，E-L1-C-VD回路和R-L2-VD回路分别流过电流输出电压的极性与电源电压极性相反等效电路如图b所示，相当于开关S在A、B两点之间交替切换Cuk斩波电路及其等效电路Cuk斩波电路53稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零，即Cuk斩波电路Cuk斩波电路及其等效电路54在等效电路中，开关S合向B点时间即V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。开关S合向A点的时间为V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1toff。由此可得

从而可得Cuk斩波电路Cuk斩波电路及其等效电路55当电容C很大使电容电压uC的脉动足够小时，输出电压Uo与输入电压E的关系可用以下方法求出。当开关S合到B点时，B点电压uB=0，A点电压uA=-uC；当S合到A点时，uB=uC，uA=0。Cuk斩波电路Cuk斩波电路及其等效电路56因此，B点电压uB的平均值为 因电感L1的电压平均值为零，所以另一方面，A点的电压平均值为且L2的电压平均值为零，按图中输出电压Uo的极性，有Cuk斩波电路Cuk斩波电路及其等效电路57输出电压Uo与电源电压E的关系：

这一输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同。优点： 输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。Cuk斩波电路Cuk斩波电路及其等效电路582.2.4Sepic斩波电路基本工作原理：当V处于通态时，E-L1-V回路和C1-V-L2回路同时导电，L1和L2贮能。V处于断态时，E-L1-C1-VD-负载（C2和R）回路及L2-VD-负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电，C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移。输入输出关系：Sepic斩波电路592.2.4Zeta斩波电路基本工作原理：在V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能。待V关断后，L1经VD与C1构成振荡回路，其贮存的能量转移至C1，至振荡回路电流过零，L1上的能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。输入输出关系：

Zeta斩波电路602.2.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路

两种电路相比，具有相同的输入输出关系。Sepic电路中，电源电流和负载电流均连续，有利于输入、输出滤波，反之，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。另外，两种电路输出电压为正极性的，且输入输出关系相同。Sepic斩波电路Zeta斩波电路61单象限隔离型电路隔离型电路－－输入与输出间具有电隔离的直流变换电路常用隔离方法－－磁耦合（输出变压器）按控制极信号的来源分类他励式－－信号来自独立信号源自励式－－信号来自输出变压器的反馈绕组按输出变压器绕组的极性分类反激式－－一、二次绕组极性相反正激式－－一、二次绕组极性相同单端－－仅含单个有源功率器件62反激式电路－－Flyback电路输出变压器一次、二次绕组的极性相反实现电隔离和电压匹配存储能量（电感属性）工作过程S导通后，VD处于断态，N1绕组的电流线性增长，电感储能增加；S关断后，N1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过N2绕组和VD向输出端释放。当D=0或D=1时，输出电压均为零，输出短路时，电流也不会无限增长。63电流连续状态的外特性分析电流连续模式：当S开通时，N2绕组中的电流尚未下降到零。电路无内阻时，电压增益为考虑变压器一次绕组内阻r1和二次绕组内阻r2时，电压增益为64电流断续状态的外特性分析电路无内阻时，电流断续情况下的电压增益为其中，输出电压Uo与Io成反比，当输出端开路时，将为无穷大。因此在开环条件下，反激式电路不能空载运行。65开环外特性在电流连续区域，不考虑电路内阻时，输出电压与负载电流Io无关；在电流断续区域，特性刚度很差，相当于电路内阻很大。66正激式电路－－Forward电路单管正激式电路一次、二次绕组的极性相同电路的工作过程开关VF开通后，变压器绕组N1两端的电压为上正下负，与其耦合的N2绕组两端的电压也是上正下负。因此VD1处于通态，VD3为断态。电源Ui通过VF和VD1向负载供电，电感L的电流逐渐增长；67正激式电路－－Forward电路电路的工作过程开关VF关断后，电感L通过VD3续流，VD1关断。为了维持励磁电流im连续，VD2正偏导通，im从绕组W1移入W3，W3的作用是将存储在铁心中的能量返回电源，使铁心磁复位，故W3被称为复位绕组。铁心复位要求通常选N1＝N3，即Dmax=0.568正激式电路－－Forward电路VD2导通时，W1上感生的电压为-(N1/N3)Ui，因此开关VF承受的正向阻断电压为当im等于零，VD2关断，iL继续沿VD3流动。电压增益一种降压型电路69电流双象限电路定义电路输出电流平均值Io的幅值和极性均随控制电压而变，但输出电压平均值Uo的极性始终为正。电路运行于第一和第二象限。电路结构Buck电路＋Boost电路iuIII70V1和VD1构成降压斩波电路（此时V2和VD2总处于断态），由电源向直流电动机供电，电动机为电动运行，工作于第一象限。V2和VD2构成升压斩波电路（此时V1和VD1总处于断态），把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行，工作于第二象限。必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路。电流双象限电路71电流双象限电路的应用示例不可逆直流调速系统拖动直流电动机时，电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第一象限和第二象限。电路运行于第一象限，电动机运行于正转电动状态电路运行于第二象限，电动机运行于正转制动状态（如车辆减速、刹车、下坡时，使能量回馈电源）iuIII72电流双象限电路的应用示例不间断电源（UninterruptiblePowerSupply—UPS）是当交流输入电源（习惯称为市电）发生异常或断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电质量，使负载供电不受影响的装置。广义地说，UPS包括输出为直流和输出为交流两种情况，目前通常是指输出为交流的情况。UPS是恒压恒频（CVCF）电源中的主要产品之一，广泛应用于各种对交流供电可靠性和供电质量要求高的场合。

73不间断电源的基本工作原理当市电正常时，由市电供电，当市电异常乃至停电时，由蓄电池向逆变器供电，因此从负载侧看，供电不受市电停电的影响；在市电正常时，负载也可以由逆变器供电，此时负载得到的交流电压比市电电压质量高，即使市电发生质量问题（如电压波动、频率波动、波形畸变和瞬时停电等）时，也能获得正常的恒压恒频的正弦波交流输出，并且具有稳压、稳频的性能，因此也称为稳压稳频电源。

74不间断电源的基本工作原理为保证市电异常或逆变器故障时负载供电的切换，实际的UPS产品中多数都设置了旁路开关，市电与逆变器提供的CVCF电源由转换开关S切换；还需注意的是，在市电旁路电源与CVCF电源之间切换时，必须保证两个电压的相位一致，通常采用锁相同步