電力電子技術(shù)課件 10 DC-DC變換器

1、 第第4 4章章 DC-DC DC-DC變換器變換器 4.1 非隔離型非隔離型DC-DC變換器變換器 4.2 隔離型隔離型DC-DC變換器變換器 4.3 雙端變換器的整流電路選擇雙端變換器的整流電路選擇 4.4 DC-DC變換器的控制方法變換器的控制方法 引言 直流-直流變流電路（DC/DC Converter）包括直接直流變流電路和間接直流變流電路。 直接直流變流電路 也稱斬波電路（DC Chopper）。 功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。 一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，這種情況下輸入與輸出之間不隔離。 間接直流變流電路 在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)。 在交流環(huán)節(jié)中

2、通常采用變壓器實(shí)現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱為直交直電路。 第第4 4章章 DC-DC DC-DC變換器變換器直流變換電路定義：直流變換電路定義： 利用電力開關(guān)器件周期性的開通與關(guān)斷來改變輸出利用電力開關(guān)器件周期性的開通與關(guān)斷來改變輸出電壓的大小，將直流電能轉(zhuǎn)換為另一固定電壓或可調(diào)電電壓的大小，將直流電能轉(zhuǎn)換為另一固定電壓或可調(diào)電壓的直流電能的電路稱為直流變換電路。壓的直流電能的電路稱為直流變換電路。(開關(guān)型開關(guān)型DC/DC變換電路變換電路/斬波器斬波器)。直流變換電路分類：直流變換電路分類： 按穩(wěn)壓控制方式按穩(wěn)壓控制方式:脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制(PWM)、脈沖頻率、脈沖頻率調(diào)制調(diào)制(PFM

3、)直流變換電路。直流變換電路。 按變換器的功能按變換器的功能:降壓變換電路降壓變換電路(Buck)、升壓變換電、升壓變換電路路(Boost)、升降壓變換電路、升降壓變換電路(Buck-Boost)、庫克、庫克變換電路變換電路(Cuk)和和Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路。斬波電路。 直流變換電路隔離方式：直流變換電路隔離方式： 在直流開關(guān)穩(wěn)壓電源中直流變換電路常常采用變壓器在直流開關(guān)穩(wěn)壓電源中直流變換電路常常采用變壓器實(shí)現(xiàn)電隔離，而在直流電機(jī)的調(diào)速裝置中可不用變壓器實(shí)現(xiàn)電隔離，而在直流電機(jī)的調(diào)速裝置中可不用變壓器隔離。隔離。4.14.1 直流變換電路的工作原理v工作原理：圖中T是

4、可控開關(guān)，R為純阻性負(fù)載。在時間內(nèi)當(dāng)開關(guān)T接通時，電流經(jīng)負(fù)載電阻R流過， R兩端就有電壓；在時間內(nèi)開關(guān)T斷開時， R中電流為零，電壓也變?yōu)榱恪?電路中開關(guān)的占空比mTS為開關(guān)T的工作周期，ton為導(dǎo)通時間。由波形圖可得到輸出電壓平均值為m 若認(rèn)為開關(guān)T無損耗，則輸入功率為 輸出電壓平均值的改變：輸出電壓平均值的改變：因為因為D D是是0 01 1之間變化的系數(shù)，之間變化的系數(shù)，因此在因此在D D的變化范圍內(nèi)輸出電壓的變化范圍內(nèi)輸出電壓U UO O總是小于輸入電壓總是小于輸入電壓U Ud d，改變改變D D值就可以改變其大小。值就可以改變其大小。占空比的改變：占空比的改變：通過改變通過改變t t

5、onon 或或T TS S來實(shí)現(xiàn)。來實(shí)現(xiàn)。 基本的斬波器電路及基本的斬波器電路及其負(fù)載波形其負(fù)載波形 SonTtD ddSonTdODUUTtdtuUS 0 SDTdSRUDdtiuTP02001m直流變換電路的常用工作方式主要有兩種：m 脈沖頻率調(diào)制(PFM)工作方式：m 即維持導(dǎo)通時間不變，改變工作周期。在這種調(diào)壓方式中，由于輸出電壓波形的周期是變化的，因此輸出諧波的頻率也是變化的，這使得濾波器的設(shè)計比較困難，輸出諧波干擾嚴(yán)重，一般很少采用。 m 脈寬調(diào)制(PWM)工作方式：m 即維持工作周期不變，改變導(dǎo)通時間。在這種調(diào)壓方式中，輸出電壓波形的周期是不變的，因此輸出諧波的頻率也不變，這使得

6、濾波器的設(shè)計容易。4.14.1 直流變換電路的工作原理4 4.1 .1 非隔離型DC-DCDC-DC變換器 4.1.1 Buck變換器 4.1.2 Boost變換器 4.1.3 Buck-Boost變換器 4.1.4 Cuk斬波電路 4.1.5 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路 4.1.1 Buck 4.1.1 Buck變換器原理圖原理圖 續(xù)流二極管續(xù)流二極管全控型電全控型電力器件力器件輸入直輸入直流電壓流電壓濾波電感濾波電感濾波電容濾波電容負(fù)載負(fù)載4.1.1 Buck4.1.1 Buck變換器導(dǎo)通期間（ton ）：電力開關(guān)器件導(dǎo)通，電感蓄能，二極管D D反偏 等效電路如圖(b)(b)所示

7、 ；關(guān)斷期間（t toffoff）：電力開關(guān)器件斷開，電感釋能，二極管D D導(dǎo)通續(xù)流。等效電路如圖(c)(c)所示；由波形圖(b)可以計算出輸出電壓的平均值為： 降壓電路及其波形圖降壓電路及其波形圖ddOdOIDIUUI1 )0(1)(10000 SononSTttdSTSdtdtuTdttuTUddSonDUUTt 忽略器件功率損耗，即忽略器件功率損耗，即 輸入輸出電流關(guān)系為：輸入輸出電流關(guān)系為：v電感中的電流i iL L是否連續(xù)，取決于開關(guān)頻率、濾波電感L和電容C的數(shù)值。4.1.1 Buck4.1.1 Buck變換器 電感電流波形圖電感電流波形圖 Buck變換器的可能運(yùn)行情況變換器的可能運(yùn)

8、行情況：電感電流連續(xù)模式電感電流連續(xù)模式電感電流臨界電感電流臨界連續(xù)狀態(tài)連續(xù)狀態(tài)電感電流斷流模式電感電流斷流模式 4.1.1 Buck 4.1.1 Buck變換器dtdiLuLL onLonOdtILtIILUU 12OdLonUULIt )(電感電流電感電流i iL L連續(xù)模式連續(xù)模式 ：在在t tonon期間期間: :電感上的電壓為電感上的電壓為 由于電感由于電感L L和電容和電容C C無損耗，因此無損耗，因此i iL L從從I I1 1線性增長至線性增長至I I2 2，上式可，上式可以寫成以寫成式中式中I IL L=I=I2 2I I1 1為電感上電流的變化量，為電感上電流的變化量，U

9、UO O為輸出電壓的平均值。為輸出電壓的平均值。4.1.1 Buck4.1.1 Buck變換器 (3.2.8) offLOtILU OLoffUILt ）OdOdLoffonSUUULUIttfT (1fLDDUfLUUUUIddOdOL)1 ()( 2120III )1 (201DDLTUIISd 電感電流電感電流i iL L連續(xù)模式連續(xù)模式 ：在在t toffoff期間期間: :假設(shè)電感中的電流假設(shè)電感中的電流i iL L從從I I2 2線性下降到線性下降到I I1 1，則有，則有l(wèi)根據(jù)式根據(jù)式(3.2.4)(3.2.4)、(3.2.5)(3.2.5)可求出開關(guān)周期可求出開關(guān)周期S S為為

10、l 上式中上式中IL為流過電感電流的峰峰值，最大為為流過電感電流的峰峰值，最大為I2，最小為，最小為I1。電。電感電流一周期內(nèi)的平均值與負(fù)載電流感電流一周期內(nèi)的平均值與負(fù)載電流IO相等，即同時代入關(guān)系式相等，即同時代入關(guān)系式IL= I2I1可得可得電感電流iL臨界連續(xù)狀態(tài)：變換電路工作在臨界連續(xù)狀態(tài)時，即有I1=0，由可得維持電流臨界連續(xù)的電感值L0為： 即電感電流臨界連續(xù)時的負(fù)載電流平均值為 ： 式中IOB為電感電流臨界連續(xù)時的負(fù)載電流平均值。 總結(jié)：臨界負(fù)載電流 IOB與輸入電壓Ud、電感L、開關(guān)頻率f以及開關(guān)管T的占空比D都有關(guān)。 當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流Io IOB時，電感電流連續(xù)； 當(dāng)實(shí)際負(fù)載

11、電流Io = IOB時，電感電流處于連續(xù)（有斷流臨界點(diǎn)）; 當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流Io IOB時，電感電流斷流；4.1.1 Buck4.1.1 Buck變換器)1 (201DDLTUIISd)1 (20DDITULBSdo)1 (2DDLTUIOSdOB輸出紋波電壓： 在Buck電路中，如果濾波電容C的容量足夠大，則輸出電壓U0為常數(shù)。然而在電容C為有限值的情況下，直流輸出電壓將會有紋波成份。電流連續(xù)時的輸出電壓紋波為 其中f為buck電路的開關(guān)頻率， fc為電路的截止頻率。 它表明通過選擇合適的L、C值，當(dāng)滿足fcf 時，可以限制輸出紋波電壓的大小，而且紋波電壓的大小與負(fù)載無關(guān)。 4.1.1 Buc

12、k 4.1.1 Buck變換器22200)(1 (28)1 (ffDLCfDUUc 4.1.1 Buck 4.1.1 Buck變換器 紋波電壓的定義 m簡單講：紋波就是一個直流電壓中的交流成分。直流電壓本來應(yīng)該是一個固定的值， 但是很多時候它是通過交流電壓整流、濾波后得來的，由于濾波不干凈，就會有剩余的交流成分，即使是用電池供電也會因負(fù)載的波動而產(chǎn)生紋波。事實(shí)上，即便是最好的基準(zhǔn)電壓源器件，其輸出電壓也是有紋波的。m狹義上的紋波電壓，是指輸出直流電壓中含有的工頻交流成分。m我國工頻頻率是50Hz，所以紋波電壓以工頻50Hz或50Hz的整數(shù)倍計取。具體取50Hz還是50Hz的倍數(shù)，取決于整流電路

13、的類型。對于半波整流，取50Hz；對于全波整流，取50Hz的2倍即100Hz；對于三相半波整流，取50Hz的3倍即150Hz；對于三相全波整流，取50Hz的6倍即300Hz。m對于日本、美國等國家，使用60Hz工頻，計取方式只需把上述的50改為60即可。m紋波電壓通常用有效值或峰值表示。 4.1.1 Buck 4.1.1 Buck變換器 紋波電壓的危害 m1、容易在用設(shè)備中產(chǎn)生不期望的諧波，而諧波會產(chǎn)生較多的危害； m2、降低了電源的效率；m3、較強(qiáng)的紋波會造成浪涌電壓或電流的產(chǎn)生，導(dǎo)致燒毀用設(shè)備。m4、會干擾數(shù)字電路的邏輯關(guān)系，影響其正常工作； m5、會帶來噪音干擾，使圖像設(shè)備、音響設(shè)備不能

14、正常工作。 紋波電壓的抑制方法 m1、在成本、體積允許的情況下，盡可能采用全波或三相全波整流電路；m2、加大濾波電路中電容容量，條件許可時使用效果更好的LC濾波電路；m3、使用效果好的穩(wěn)壓電路，對紋波抑制要求很高的地方使用模擬穩(wěn)壓電源而不使用開關(guān)電源；m4、合理布線。 4.1.2 Boost 4.1.2 Boost變換器m定義：直流輸出電壓的平均值高于輸入電壓的變換電路稱為升壓變換電路，又叫Boost電路。全控型電力全控型電力器件開關(guān)器件開關(guān)儲能儲能保持輸出電壓保持輸出電壓原理圖原理圖工作原理：ton工作期間：二極管反偏截止，電感L L儲能，電容C C 給負(fù)載R R提供能量。toff工作期間：

15、二極管導(dǎo)通，電感L L經(jīng)二極管給電容充電，并向負(fù)載R RL L提供能量。m可得：m式中占空比D=tD=tonon/T/TS S，當(dāng)D=0D=0時，U U0 0=U=Ud d，但D D不能為1 1，因此在0D0D1 1的變化范圍內(nèi) U Uo oUUd d 4.1.2 Boost4.1.2 Boost變換器 升壓變換電路及其波形升壓變換電路及其波形DUUtttUddoffoffon 10 T T導(dǎo)通時為電感導(dǎo)通時為電感L L儲能階段，此時電儲能階段，此時電源不向負(fù)載提供能源不向負(fù)載提供能量，負(fù)載靠儲于電量，負(fù)載靠儲于電容容C C的能量維待工作。的能量維待工作。 T T阻斷時，電源和阻斷時，電源和電

16、感共同向負(fù)載供電感共同向負(fù)載供電，同時給電容電，同時給電容 C C充電充電。 升壓變換電路及其波形升壓變換電路及其波形 4.1.2 Boost4.1.2 Boost變換器 總結(jié)：電感電流連總結(jié)：電感電流連續(xù)時續(xù)時BoostBoost變換器的變換器的工作分為兩個階段工作分為兩個階段: : Boost變換器的可能運(yùn)行情況： 根據(jù)在理想狀態(tài)下，電路的輸出功率等于輸入功率，參考降壓變換電路的計算方法，可得電感電流臨界連續(xù)時的負(fù)載電流平均值為：當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流IoIOB時，電感電流連續(xù)。當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流Io = IOB時,電感電流處于臨界連續(xù)(有斷流 臨界點(diǎn))。當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流IoIOB時，電感電流斷流。 4

17、.1.2 Boost4.1.2 Boost變換器)1 (2DULDTIdOSOB 沒有電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)的Boost變換器不宜在輸出端開路情況下工作：因為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，開關(guān)管T導(dǎo)通期間 ( )電源輸入到電感L中的磁能，在T截止期間通過二極管D轉(zhuǎn)移到輸出端，如果負(fù)載電流很小，就會出現(xiàn)電流斷流情況。如果負(fù)載電阻變得很大，負(fù)載電流太小，這時若占空比D仍不減小、ton不變、電源輸入到電感的磁能必使輸出電壓不斷增加。4.1.2 Boost4.1.2 Boost變換器SonDTt 總總 結(jié)：結(jié)： Boost電路對電源的輸人電流（也即通過二極管電路對電源的輸人電流（也即通過二極管D的的電流）就是升壓電感電流）就是升

18、壓電感L電流，電流平均值為：電流，電流平均值為：I0=(I2-I1)/2。 實(shí)際中，選擇電感電流的增量實(shí)際中，選擇電感電流的增量IL時，應(yīng)使電感的時，應(yīng)使電感的峰值電流峰值電流Id+IL不大于最大平均直流輸入電流不大于最大平均直流輸入電流Id的的20%，以防止電感以防止電感L飽和失效。飽和失效。 Boost變換器的效率很高，一般可達(dá)變換器的效率很高，一般可達(dá)92%以上。以上。4 4.1.2 .1.2 BoostBoost變換器ttTEiOOi1i2I10I20I10tontoffuotOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20a)b) 用于直流電動機(jī)回饋能量的升壓斬波電路及

19、其波形a）電路圖 b）電流連續(xù)時 c）電流斷續(xù)時 典型應(yīng)用 一是用于直流電動機(jī)傳動，二是用作單相功率因數(shù)校正（Power Factor CorrectionPFC）電路，三是用于其他交直流電源中。 以用于直流電動機(jī)傳動為例 在直流電動機(jī)再生制動時把電能回饋給直流電源。 電動機(jī)電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)。 直流電源的電壓基本是恒定的，不必并聯(lián)電容器。 基于分時段線性電路思想，電流連續(xù)時得L為無窮大時電樞電流的平均值Io為 其中為變壓比的倒數(shù)。 REEREmImo4.1.3 Buck-Boost4.1.3 Buck-Boost變換器m概述：m 升降壓變換電路（又稱Buck-boost電路）的輸

20、出電壓平均值可以大于或小于輸入直流電壓，輸出電壓與輸入電壓極性相反，其電路原理圖如圖所示。 m 它主要用于要求輸出與輸入電壓反相，其值可大于或小于輸入電壓的直流穩(wěn)壓電源。 升降壓變換電路原理圖升降壓變換電路原理圖4.1.3 Buck-Boost4.1.3 Buck-Boost變換器m工作原理：m ton期間，二極管D反偏而關(guān)斷，電感儲能，濾波電容C向負(fù)載提供能量。 升降壓變換電路及其工作波形升降壓變換電路及其工作波形offLtILU 0onLondtILtIILU12 toff期間，當(dāng)感應(yīng)電動期間，當(dāng)感應(yīng)電動勢大小超過輸出電壓勢大小超過輸出電壓U U0 0時，時，二極管二極管D D導(dǎo)通，電感經(jīng)

21、導(dǎo)通，電感經(jīng)D D向向C C和和R RL L反向放電，使輸出電壓反向放電，使輸出電壓的極性與輸入電壓相反。的極性與輸入電壓相反。 4.1.3 Buck-Boost 4.1.3 Buck-Boost變換器 在ton期間電感電流的增加量等于toff期間的減少量，得： offondtLUtLU0SonDTtSoffTDt)1 ( dUDDU10由由 的關(guān)系，求出輸出電壓的關(guān)系，求出輸出電壓的平均值為：的平均值為：上式中，上式中，D為占空比，負(fù)號表示輸出與輸入電壓為占空比，負(fù)號表示輸出與輸入電壓反相；當(dāng)反相；當(dāng)D=0.5時，時，U0=Ud；當(dāng)；當(dāng)0.5DUd，為升壓變換；當(dāng)，為升壓變換；當(dāng)0D0.5時

22、，時，U0Ud，為降壓變換。，為降壓變換。 采用前幾節(jié)同樣的分析方法可得電感電流臨界連續(xù)時的負(fù)載電流平均值為：變換器的可能運(yùn)行情況： 實(shí)際負(fù)載電流IoIOB時，電感電流連續(xù)。 實(shí)際負(fù)載電流Io = IOB時，電感電流處于臨界連續(xù)(有斷流臨界點(diǎn))。 實(shí)際負(fù)載電流I Io oI IOBOB時，電感電流斷流。 4.1.3 Buck-Boost4.1.3 Buck-Boost變換器doOBUfLDDI21）（ 庫克(Cuk)變換電路屬升降壓型直流變換電路。 電路的特點(diǎn)：輸出電壓極性與輸入電壓相反，出入端電流紋波小，輸出直流電壓平穩(wěn)，降低了對外部濾波器的要求。 4.1.4 Cuk 4.1.4 Cuk斬波

23、電路斬波電路L1、L2儲能電感耦合電容快速恢復(fù)續(xù)流二極管濾波電容 庫克庫克(Cuk)變換電路原理圖變換電路原理圖 4.1.4 Cuk 4.1.4 Cuk斬波電路斬波電路 庫克電路及其等效電路和工作波形庫克電路及其等效電路和工作波形 晶閘管關(guān)斷晶閘管開通 Cuk變換電路也有電流連續(xù)和斷流兩種工作情況，但這里不是指電感電流的斷流，而是指流過二極管D的電流連續(xù)或斷流。工作情況: :電流連續(xù)：在開關(guān)管T的關(guān)斷時間內(nèi)，二極管電流總是大于零。電流斷流：在開關(guān)管T的關(guān)斷時間內(nèi)，二極管電流在一段時間內(nèi)為零。臨界連續(xù)：二極管電流經(jīng)t toffoff后，在下個開關(guān)周期T TS S的開通時刻二極管電流正好降為零。

24、4.1.4 Cuk 4.1.4 Cuk斬波電路斬波電路4 4.1.1.4 4 Cuk Cuk斬波電路基本結(jié)構(gòu)Cuk斬波電路及其等效電路a） 電路圖 b） 等效電路 基本結(jié)構(gòu)Cuk斬波電路（無濾波電容） 工作原理 V導(dǎo)通時，EL1V回路和RL2CV回路分別流過電流。 V關(guān)斷時，EL1CVD回路和RL2VD回路分別流過電流。 輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。 基本的數(shù)量關(guān)系 C的電流在一周期內(nèi)的平均值應(yīng)為零，即TCti00d4.1.4 Cuk4.1.4 Cuk斬波電路offdonotItI 電源電流id和負(fù)載電流io的平均值分別為Id和Io從而可得DDttTttIIonononoffdo1 由L

25、1和L2的電壓平均值為零，可得出輸出電壓Uo與電源電壓E的關(guān)系 EDDEtTtEttUononoffono1與升降壓斬波電路相比，Cuk斬波電路有一個明顯的優(yōu)點(diǎn)，其輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動很小，有利于對輸入、輸出進(jìn)行濾波。所以有5.1.4 Sepic5.1.4 Sepic斬波電路和ZetaZeta斬波電路Sepic斬波電路 工作原理 V導(dǎo)通時，EL1V回路和C1VL2回路同時導(dǎo)電，L1和L2貯能。 V關(guān)斷時，EL1C1VD負(fù)載回路及L2VD負(fù)載回路同時導(dǎo)電，此階段E和L1既向負(fù)載供電，同時也向C1充電（C1貯存的能量在V處于通態(tài)時向L2轉(zhuǎn)移）。 輸入輸出關(guān)系 EDDEtTt

26、EttUononoffono1 Sepic斬波電路 5.1.4 Sepic5.1.4 Sepic斬波電路和ZetaZeta斬波電路Zeta斬波電路 工作原理 V導(dǎo)通時，電源E經(jīng)開關(guān)V向電感L1貯能。 V關(guān)斷時，L1VDC1構(gòu)成振蕩回路， L1的能量轉(zhuǎn)移至C1，能量全部轉(zhuǎn)移至C1上之后，VD關(guān)斷，C1經(jīng)L2向負(fù)載供電。 輸入輸出關(guān)系為 EDDUo1兩種電路具有相同的輸入輸出關(guān)系，Sepic電路中，電源電流連續(xù)但負(fù)載電流斷續(xù)，有利于輸入濾波，反之，Zeta電路的電源電流斷續(xù)而負(fù)載電流連續(xù)；兩種電路輸出電壓為正極性的。 Zeta斬波電路 4.24.2 帶隔離的DC-DCDC-DC變換器 4.2.1

27、反激電路 4.2.2 正激電路 4.2.3 半橋電路 4.2.4 全橋電路 4.2.5 推挽電路 4.2 4.2 帶隔離的DC-DCDC-DC變換器引言 間接直流變流電路的結(jié)構(gòu)同直流斬波電路相比，電路中增加了交流環(huán)節(jié)，因此也稱為直交直電路。 采用這種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的電路來完成直流直流的變換有以下原因 輸出端與輸入端需要隔離。 某些應(yīng)用中需要相互隔離的多路輸出。 輸出電壓與輸入電壓的比例遠(yuǎn)小于1或遠(yuǎn)大于1。 交流環(huán)節(jié)采用較高的工作頻率，可以減小變壓器和濾波電感、濾波電容的體積和重量。間接直流變流電路分為單端(Single End)和雙端(Double End)電路兩大類，在單端電路中，變壓器中流過

28、的是直流脈動電流，而雙端電路中，變壓器中的電流為正負(fù)對稱的交流電流，正激電路和反激電路屬于單端電路，半橋、全橋和推挽電路屬于雙端電路。 4.2.14.2.1 反激電路SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO 反激電路原理圖 反激電路的理想化波形反激電路 工作過程 S開通后，VD處于斷態(tài)，W1繞組的電流線性增長，電感儲能增加。 S關(guān)斷后，W1繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過W2繞組和VD向輸出端釋放，電壓為 。 工作模式 當(dāng)S開通時，W2繞組中的電流尚未下降到零，則稱工作于電流連續(xù)模式，輸出輸入電壓關(guān)系為uUNNUSio12offon12iottNNUU S開通前，W2繞組中的

29、電流已經(jīng)下降到零，則稱工作于電流斷續(xù)模式，此時輸出電壓高于上述公式的計算值，在負(fù)載為零的極限情況下， ， Uo 所以應(yīng)該避免負(fù)載開路狀態(tài)。4.24.2. .2 2 正激電路SuSiLiSOttttUiOOO 正激電路的原理圖 正激電路的理想化波形正激電路(Forward) 工作過程 開關(guān)S開通后，變壓器繞組W1兩端的電壓為上正下負(fù)，與其耦合的W2繞組兩端的電壓也是上正下負(fù)，因此VD1處于通態(tài)，VD2為斷態(tài)，電感L的電流逐漸增長。 S關(guān)斷后，電感L通過VD2續(xù)流，VD1關(guān)斷。變壓器的勵磁電流經(jīng)N3繞組和VD3流回電源，所以S關(guān)斷后承受的電壓為 。iSUNNu)1 (314.2.24.2.2 正激

30、電路 磁心復(fù)位過程變壓器的磁心復(fù)位 開關(guān)S開通后，變壓器的激磁電流由零開始，隨時間線性的增長，直到S關(guān)斷，導(dǎo)致變壓器的激磁電感飽和。 必須設(shè)法使激磁電流在S關(guān)斷后到下一次再開通的時間內(nèi)降回零，這一過程稱為變壓器的磁心復(fù)位。 變壓器的磁心復(fù)位所需的時間為on13rsttNNt輸出電壓 輸出濾波電感電流連續(xù)時 TtNNUUon12io輸出電感電流不連續(xù)時，在負(fù)載為零的極限情況下 i12oUNNU 4.24.2.3 .3 半橋電路 半橋電路原理圖 半橋電路的理想化波形半橋電路 工作過程 S1與S2交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui/2的交流電壓，改變開關(guān)的占空比，就可以改變二次側(cè)整流電壓ud的平

31、均值，也就改變了輸出電壓Uo。 S1導(dǎo)通時，二極管VD1處于通態(tài)，S2導(dǎo)通時，二極管VD2處于通態(tài)，當(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)斷時，變壓器繞組N1中的電流為零，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。 S1或S2導(dǎo)通時電感L的電流逐漸上升，兩個開關(guān)都關(guān)斷時，電感L的電流逐漸下降，S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為Ui。 4.24.2.3 .3 半橋電路 由于電容的隔直作用，半橋電路對由于兩個開關(guān)導(dǎo)通時間不對稱而造成的變壓器一次側(cè)電壓的直流分量有自動平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁和直流磁飽和。輸出電壓 濾波電感L的電流連續(xù)時 TtNNUUon12io輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式上述公式

32、的計算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下2i12oUNNU4.24.2.4 .4 全橋電路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO 全橋電路原理圖 全橋電路的理想化波形全橋電路 工作過程 全橋電路中，互為對角的兩個開關(guān)同時導(dǎo)通，同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。 當(dāng)S1與S4開通后，VD1和VD4處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升。 當(dāng)S2與S3開通后，VD2和VD3處于通態(tài)，電感L的電流也上升。 當(dāng)4個開關(guān)都關(guān)斷時，4個二極管都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電感電

33、流，電感L的電流逐漸下降，S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為Ui。4.2.44.2.4 全橋電路 如果S1、S4與S2、S3的導(dǎo)通時間不對稱，則交流電壓uT中將含有直流分量，會在變壓器一次側(cè)產(chǎn)生很大的直流分量，造成磁路飽和，因此全橋電路應(yīng)注意避免電壓直流分量的產(chǎn)生，也可在一次側(cè)回路串聯(lián)一個電容，以阻斷直流電流。 為避免同一側(cè)半橋中上下兩開關(guān)同時導(dǎo)通，每個開關(guān)的占空比不能超過50%，還應(yīng)留有裕量。 輸出電壓 濾波電感電流連續(xù)時 TtNNUUon12io2 輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式上述公式的計算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下 UNNUoi214.24.2.5 .5

34、推挽電路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO 推挽電路原理圖 推挽電路的理想化波形推挽電路 工作過程 推挽電路中兩個開關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通，在繞組N1和N1兩端分別形成相位相反的交流電壓。 S1導(dǎo)通時，二極管VD1處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升，S2導(dǎo)通時，二極管VD2處于通態(tài)，電感L電流也逐漸上升。 當(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)斷時，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流，S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為2倍Ui。 4.24.2.5 .5 推挽電路 如果S1和S2同時導(dǎo)通，就相當(dāng)于變壓器一次側(cè)繞組短路，因此應(yīng)避免兩個開關(guān)同時導(dǎo)通，每

35、個開關(guān)各自的占空比不能超過50%。 輸出電壓 當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時 TtNNUUon12io2 輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于式上述公式的計算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下 UNNUoi21電路優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域正激電路較簡單，成本低，可靠性高，驅(qū)動電路簡單變壓器單向激磁，利用率低幾百W幾kW各種中、小功率電源反激電路非常簡單，成本很低，可靠性高，驅(qū)動電路簡單難以達(dá)到較大的功率，變壓器單向激磁，利用率低幾W幾十W小功率電子設(shè)備、計算機(jī)設(shè)備、消費(fèi)電子設(shè)備電源。全橋變壓器雙向勵磁，容易達(dá)到大功率結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，有直通問題，可靠性低，需要復(fù)雜的多組隔離驅(qū)動電路幾百

36、W幾百kW大功率工業(yè)用電源、焊接電源、電解電源等半橋變壓器雙向勵磁，沒有變壓器偏磁問題，開關(guān)較少，成本低有直通問題，可靠性低，需要復(fù)雜的隔離驅(qū)動電路幾百W幾kW各種工業(yè)用電源，計算機(jī)電源等推挽變壓器雙向勵磁，變壓器一次側(cè)電流回路中只有一個開關(guān)，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動簡單有偏磁問題幾百W幾kW低輸入電壓的電源4.24.2.5 .5 推挽電路 各種不同的間接直流變流電路的比較 4.3 4.3 雙端變換器的整流電路選擇m 雙端變換器電路中常用的整流電路形式為全波整流電路、全橋整流電路和同步整流電路。m全波整流 優(yōu)點(diǎn)是任意時刻電感L的電流回路中只存在二極管導(dǎo)通壓降，整流電路只需要兩個二極管，元件數(shù)量少。

37、缺點(diǎn)是二極管承受的反向電壓是2倍的交流電壓幅值，對器件的耐壓要求較高，而且要求變壓器二次側(cè)繞組有中心抽頭。、 DC-DC雙端變換器通常在輸出電壓較低的情況下采用全波整流電路。 4.3 4.3 雙端變換器的整流電路選擇m全橋整流 優(yōu)點(diǎn)是二極管承受的反向電壓僅為交流電壓幅值，而且變壓器繞組結(jié)構(gòu)比較簡單。 缺點(diǎn)是回路中任意時刻電感L的電流總要相繼流過兩個二極管，電流回路存在兩個二極管壓降，損耗較大，而且電路中需要四個二極管，元件數(shù)較多。 DC-DC雙端變換器高壓輸出的情況下，一般采用全橋整流電路。m同步整流 當(dāng)電路輸出電壓非常低時，可以采用同步整流電路。同步整流可以達(dá)到很高的效率，但控制電路比較復(fù)雜。 4.4 DC-DC 4.4 DC-DC變換器的PWMPWM控制方法m DC-DC變換器是構(gòu)建開關(guān)電源等電能變換器的基本組成部分。在開關(guān)電源的設(shè)計中，DC-DC變換器控制方法的選擇和設(shè)計直接關(guān)系到開關(guān)電源的控制效果，采用不同的檢測信號和不同的控制電路會得到不同的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)特性。m 在開關(guān)電源中，DC-DC變換器通常采用PWM控制方法，常用到的PWM控制方法有電壓型PWM控制和電流型PWM控制。電