直流直流變換電路

1、本本章章主主要要內(nèi)內(nèi)容容3.1降壓斬波電路3.2升壓斬波電路3.3升降壓復(fù)合斬波電路3.4庫(kù)克電路3.5 Sepic和Zeta斬波電路第第3章章 直流直流-直流變流電路直流變流電路3.6復(fù)合型DC-DC斬波電路3.7帶隔離的直流-直流變流電路3.1 降壓斬波電路降壓斬波電路(Buck) 降壓斬波電路也稱(chēng)為Buck電路，降壓斬波電路的輸出電壓Uo低于輸入電壓Ud。該電路用GTR作為全控器件開(kāi)關(guān)VT，電感和電容構(gòu)成低通濾波器，二極管VD提供續(xù)流通道。3.1 Buck電路電路-等效原理圖等效原理圖sonsonLdoo00d()d()d0TtTtutUUtUt3.1 Buck電路電路-電流連續(xù)模式電流

2、連續(xù)模式sonsonLdoo00d()d()d0TtTtutUUtUtdoonoson()()UUtU TtoondsUtDUToddo1IUIUD3.1 Buck電路電路-電流臨界斷續(xù)模式電流臨界斷續(xù)模式LLMdoLonddiIUUuLLttsdLBMLBLBM0.54(1)8TUDIIIDDL當(dāng)當(dāng)onssdLBLMdodooB1()()(1)2222tDTTUIIUUUUDDILLL3.1 Buck電路電路-電流斷續(xù)模式電流斷續(xù)模式oLdoso1 sd1=0()()0UDUUUDTUTUD 因oLLMoLLM1 s1 sddUiIUuLLITtTLosdsLM1Ls1soLLM111()(

3、)2222U TU TIDI TDTIIIDDLL 3.1 Buck電路電路-電流斷續(xù)模式電流斷續(xù)模式dsoo1LBM11LBM424U TIIDIDLID 2o2od1LBM1()4UDDIUDDI例3-1 在圖3-1所示的降壓斬波電路中，已知Ud=200V，R=10，L值極大，Ts=50 s，ton=20s，計(jì)算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。若存在負(fù)載Em=20V，求輸出電流平均值Io。 onods20 20080(V)50tUUToo808(A)10UIR解：由于L值極大，故負(fù)載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為 輸出電流平均值為3.1 Buck電路電路-例題例題omo80206(

4、A)10UEIR 若存在負(fù)載Em=20V，輸出電流平均值為例3-2 在圖2-1所示的降壓斬波電路中，已知Ud=2710%V， Uo =15V，最大輸出功率為Pomax=120W，最小輸出功率為Pomin=10W，若工作頻率為30kHz，求(1)占空比變化范圍；(2)保證整個(gè)工作范圍電感電流連續(xù)時(shí)的電感值。dmax27(1 10%)29.7(V)U解: (1)輸入電壓的變化值為3.1 Buck電路電路-例題例題dmin27(1 10%)24.3(V)U占空比變化范圍為od150.5050.61724.329.7UDU例3-2 在圖2-1所示的降壓斬波電路中，已知Ud=2710%V， Uo =15

5、V，最大輸出功率為Pomax=120W，最小輸出功率為Pomin=10W，若工作頻率為30kHz，求(1)占空比變化范圍；(2)保證整個(gè)工作范圍電感電流連續(xù)時(shí)的電感值。sdsosooLBLBoo22omin3omin(1)(1)(1)(1)222215(1)(1 0.505)0.186m22 10 30 10TUTUTUULDDDDDIIII fUDHPf解: (2)因?yàn)镮L= Io,當(dāng)負(fù)載最小，占空比最小時(shí)，所需要的電感越大，當(dāng)Uo不變時(shí)，由式(2-5)得3.1 Buck電路電路-例題例題3.2 升壓斬波電路（Boost）升壓斬波電路也稱(chēng)為Boost電路。升壓斬波電路的輸出電壓總是高于輸入電

6、壓。升壓斬波電路的一個(gè)典型應(yīng)用是用作單項(xiàng)功率因數(shù)校正（PDC）電路。電路中的電容C起濾波作用，二極管VD提供續(xù)流通道。3.2 Boost電路-等效原理圖d ondooff()0U tUUt3.2 Boost電路電路-電流連續(xù)模式電流連續(xù)模式d ondooff()0U tUUtosdoff11UTUtDdoPP由ddoood1U IU IIDI LLMdLonddiIUuLLttoodLdL;1IIIIDII 因?yàn)橐驗(yàn)?.2 Boost電路電路-電流臨界斷續(xù)模式電流臨界斷續(xù)模式2sooBLB(1)(1)2TUIIDDDLdsoLBLMon11(1)222UTUIItDDLLsoLBM0.5,8T

7、UDIL當(dāng)當(dāng)3.2 Boost電路電路-電流臨界斷續(xù)模式電流臨界斷續(xù)模式soLB(:(1) )2TUIDDL注。sooBM20.33,27TUDIL當(dāng)當(dāng)2sooB(:(1)2TUIDDL注。2LBLBMoBoBM27 4(1),(1)4ID IIDDI所以oo11dsdo1 sd1d1()0UIDU DTUUTUID 3.2 Boost電路電路-電流斷續(xù)模式電流斷續(xù)模式dLLMdLLMssddUiIUuLLIDTtDTLdsLM1Ls1sdLLM1()()222U TIDI TDTIIID DLsd1odo112TUIIIDDL 3.2 Boost電路電路-電流斷續(xù)模式電流斷續(xù)模式12oood

8、doBM4(1)27UUIDUUI例3-3 在圖2-5所示的升壓斬波電路中，已知Ud=50V，L值和C值極大，R=20，采用脈寬調(diào)制控制方式，當(dāng)TS=40s，ton=25s時(shí)，計(jì)算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。ooff4050133.3(V)4025TUEt輸出電流平均值為：oo133.36.667(A)20UIR 解：輸出電壓平均值為： 3.2 Boost電路-例題3.3升降壓復(fù)合斬波電路(Buck-Boost)電路可以得到高于或低于輸入電壓的輸出電壓。當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí)，輸入端經(jīng)VT和電感構(gòu)成電流通道，提供能量給電感，二級(jí)管反向偏置，電感電流增大，負(fù)載電流由電容器上存儲(chǔ)的能量提供。當(dāng)V

9、T斷開(kāi)時(shí)，電感中的自感電勢(shì)使二級(jí)管導(dǎo)通，存儲(chǔ)在電感中的能量經(jīng)二級(jí)管傳遞給電容和輸出負(fù)載。電感電流減小，電路輸出電壓是負(fù)的。3.3 Buck-Boost等效原理圖0)1)(sosdTDUDTU+-+3.3 Buck-Boost -電流連續(xù)模式dsos()(1)0U DTUD T od1UDUDdoPP由ddoood1U IU IIDID當(dāng)占空比D大于0.5時(shí)，輸出電壓高于輸入電壓；當(dāng)占空比D小于0.5時(shí)，輸出電壓低于輸入電壓，因此，改變占空比就可以得到期望的輸出電壓值。 LLMdLonddiIUuLLttoLdooLd1+ ;(1)IDIIIIIDID因因2sooBLB(1)(1)2TUIIDD

10、LdsdsoLBLMon11=(1- )2222UTUTUIItDDLLL3.3 Buck-Boost -電流斷續(xù)模式得得soLBM0,2TUDIL當(dāng)當(dāng)so(:(1- ) )2TUDL注。sooBM0,2TUDIL當(dāng)當(dāng)2so(:(1)2TUDL注。2LBLBMoBoBM (1),(1)IIDIID所以3.3 Buck-Boost 電流臨界斷續(xù)模式oo1dso1 sd1d()0UIDU DTUTUID dLLMdLLMssddUiIUuLLIDTtDTLdsLM1Ls1sLLM1()()222U TIDI TDTIID DL3.3 Buck-Boost -電流斷續(xù)模式oodoBMUIDUI例3-

11、4 升降壓復(fù)合斬波電路中，工作頻率為20kHz，L=0.05mH，輸出電容C足夠大，Ud=15V， Uo =10V，輸出功率為Po=10W，求占空比。ooo10W1A10VPIU解:3.3 Buck-Boost 例題do100.4115UDDDU若工作于連續(xù)電流模式則帶入2-37，可得D=0.4時(shí)電流臨界連續(xù)的負(fù)載電流IoB322sooB30.05 1010(1)(1 0.4)1.8A22 0.05 10TUIDL例3-4 升降壓復(fù)合斬波電路中，工作頻率為20kHz，L=0.05mH，輸出電容C足夠大，Ud=15V， Uo =10V，輸出功率為Po=10W，求占空比。解:3.3 Buck-Bo

12、ost 例題oodoBM1010.3155UIDUI因輸出電流Io=1A0且VT1導(dǎo)通過(guò)程。直流側(cè)電源通過(guò)VT1向負(fù)載供電，輸出電壓uo=ui，此時(shí)輸出電流io增加，負(fù)載電感和負(fù)載電動(dòng)勢(shì)儲(chǔ)能也增加。由于io0且uo0，因此電路工作在第一象限。3.6 二象限二象限D(zhuǎn)C-DC斬波電路斬波電路 (2)(2) 輸出電流io0且VT1關(guān)斷過(guò)程。由于電感電流不能突變，因此VD2導(dǎo)通續(xù)流，輸出電壓uo=0，此時(shí)VT2承受反壓而不能導(dǎo)通，因此輸出電流減小，負(fù)載電感儲(chǔ)能和負(fù)載電動(dòng)勢(shì)儲(chǔ)能也減小。由于io0且uo=0，因此電路工作在第一象限。3.6 二象限二象限D(zhuǎn)C-DC斬波電路斬波電路 (3)(3) 輸出電流io

13、0且VT2導(dǎo)通過(guò)程。負(fù)載電動(dòng)勢(shì)通過(guò)VT2向負(fù)載電阻和電感供電，輸出電壓uo=0，此時(shí)輸出電流io反向增加，負(fù)載電感儲(chǔ)能也增加。由于io0且uo=0，因此電路工作在第二象限。3.6 二象限二象限D(zhuǎn)C-DC斬波電路斬波電路 (4)(4) 輸出電流io0且VT2關(guān)斷過(guò)程。由于電感電流不能突變，因此VD1導(dǎo)通續(xù)流，輸出電壓uo=ui，因VT1承受反壓而不能導(dǎo)通，因此輸出電流減小，負(fù)載電感儲(chǔ)能和負(fù)載電動(dòng)勢(shì)儲(chǔ)能也減小。由于io=0斬波電路運(yùn)行在一二象限； 3.6 四四象限象限D(zhuǎn)C-DC斬波電路斬波電路(2)(2)當(dāng)VT2保持導(dǎo)通時(shí)，利用VT3、VT4進(jìn)行斬波控制，則構(gòu)成了另一組電流可逆的二象限D(zhuǎn)C-DC斬

14、波電路，此時(shí)uAB=0 ，斬波電路運(yùn)行在三、四象限。 3.6 多相多重多相多重DC-DC斬波電路斬波電路所謂的“相”是指斬波電路輸入側(cè)（電源端）的各移相斬波控制的支路相數(shù)，而所謂的“重”則是指斬波電路輸出側(cè)（負(fù)載端）的各移相斬波控制的支路重疊數(shù)。 3.7 帶隔離的直流帶隔離的直流-直流變流電路直流變流電路3.7.1 正激電路正激電路3.7.2 反激電路反激電路 3.7.3 半橋式降壓電路半橋式降壓電路3.7.4 全橋式降壓電路全橋式降壓電路3.7.5 推挽電路推挽電路3.7.6 全波整流和全橋整流全波整流和全橋整流 3.7 正激電路正激電路輸出電壓輸出電壓 輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí)輸出濾波電感電

15、流連續(xù)時(shí) oon21SUtNUN T3.7 正激電路正激電路-磁芯復(fù)位磁芯復(fù)位(1)開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，U2=N2*US/N1, 電源能量經(jīng)變壓器傳遞到負(fù)載側(cè)。VT截止時(shí)變壓器原邊電流經(jīng)D3、DW續(xù)流，磁場(chǎng)能量主要消耗在穩(wěn)壓管DW上。VT承受的最高電壓為US+UDW。3.7 正激電路正激電路-磁芯復(fù)位磁芯復(fù)位(2)VT導(dǎo)通時(shí)，電源能量經(jīng)變壓器傳遞到負(fù)載側(cè)。VT截止時(shí)，由于電感電流不能突變，線圈N1會(huì)產(chǎn)生下正上負(fù)的感應(yīng)電勢(shì)e1。同時(shí)線圈N3也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e3=N3*e1/N1，當(dāng)e3=US時(shí)，D3導(dǎo)通。磁場(chǎng)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)移到電源US中，此時(shí)VT上承受的最高電壓為US+ N1*US/N33.7 反反激電路

16、激電路輸出電壓輸出電壓 輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí)輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí) oon2s1offUtNUN t3.7 反反激電路激電路輸出電壓輸出電壓 輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí)輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí) oon2s1offUtNUN tN2N1N1N23.7半橋式隔離的降壓電路（半橋式隔離的降壓電路（1）VT1開(kāi)通，VT2關(guān)斷時(shí)，電源及C1上儲(chǔ)能經(jīng)變壓器傳遞到副邊，此時(shí)電源經(jīng)VT1、變壓器向C2充電，C2儲(chǔ)能增加。同時(shí)D4 導(dǎo)通。N2N1N23.7半橋式隔離的降壓電路（半橋式隔離的降壓電路（2）當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)都關(guān)斷時(shí)，變壓器繞組N1中的電流為零，D3和D4都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。N2N1N23.7半橋式隔

17、離的降壓電路（半橋式隔離的降壓電路（3）電容C1、C2上電壓為US/2，當(dāng)VT1關(guān)斷，VT2導(dǎo)通時(shí)，電源及電容C2上儲(chǔ)能傳到副邊。電源經(jīng)變壓器、VT2向C1充電，C1儲(chǔ)能增加。同時(shí)D3導(dǎo)通。oon2s1UtNUNTN2N1N2輸出電壓輸出電壓 輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí)輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí) 3.7全橋式隔離的降壓電路（全橋式隔離的降壓電路（1） VTVT1 1與與VTVT4 4開(kāi)通后，開(kāi)通后，D D1 1處于處于通態(tài)，電感通態(tài)，電感L L電流逐漸上升。電流逐漸上升。 VTVT2 2與與VTVT3 3開(kāi)通后開(kāi)通后D D2 2處于通處于通態(tài)，電感態(tài)，電感L L的電流也上升。的電流也上升。 當(dāng)當(dāng)4 4

18、個(gè)開(kāi)關(guān)都關(guān)斷時(shí)，個(gè)開(kāi)關(guān)都關(guān)斷時(shí)，D D1 1和和D D2 2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電感電流，電感半的電感電流，電感L L的電流的電流逐漸下降，逐漸下降，S1S1和和S2S2斷態(tài)時(shí)承斷態(tài)時(shí)承受峰值電壓均為受峰值電壓均為U Us s。3.7全橋式隔離的降壓電路（全橋式隔離的降壓電路（2）oon2s12UtNUNT輸出電壓輸出電壓 輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí)輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí) 3.7推挽電路推挽電路(1)推挽電路推挽電路 工作過(guò)程工作過(guò)程 推挽電路中開(kāi)關(guān)推挽電路中開(kāi)關(guān)S1和和S2交替交替導(dǎo)通，在繞組導(dǎo)通，在繞組N1和和N1兩端分兩端分別形成相位相反的交流電壓。別形成相位相反的交

19、流電壓。 S1導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)，VD1處于通態(tài)，處于通態(tài)，電感電感L的電流逐漸上升，的電流逐漸上升，S2導(dǎo)導(dǎo)通時(shí)，二極管通時(shí)，二極管VD2處于通態(tài)，處于通態(tài)，電感電感L電流也逐漸上升。電流也逐漸上升。當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)都關(guān)斷時(shí)，當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)都關(guān)斷時(shí)，VD1和和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流，半的電流，S1和和S2斷態(tài)時(shí)承受斷態(tài)時(shí)承受的的峰值電壓峰值電壓均為均為2倍倍Ui。 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOOS1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO3.

20、7推挽電路推挽電路(2) 如果如果S1和和S2同時(shí)導(dǎo)通，變壓器一次側(cè)繞組短路，每同時(shí)導(dǎo)通，變壓器一次側(cè)繞組短路，每個(gè)開(kāi)關(guān)占空比不能超過(guò)個(gè)開(kāi)關(guān)占空比不能超過(guò)50%，要留有死區(qū)。，要留有死區(qū)。 輸出電壓輸出電壓 當(dāng)濾波電感當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)的電流連續(xù)時(shí) TtNNUUon12io2 (2-78) 電路電路優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)功率范圍功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域正激正激電路較簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單變壓器單向激磁，利用率低幾百W幾kW各種中、小功率電源反激反激電路非常簡(jiǎn)單，成本很低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)設(shè)備、消費(fèi)電

21、子設(shè)備電源。全橋全橋變壓器雙向勵(lì)磁，容易達(dá)到大功率結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，有直通問(wèn)題，可靠性低，需要復(fù)雜的多組隔離驅(qū)動(dòng)電路幾百W幾百kW大功率工業(yè)用電源、焊接電源、電解電源等半橋半橋變壓器雙向勵(lì)磁，沒(méi)有變壓器偏磁問(wèn)題，開(kāi)關(guān)較少，成本低有直通問(wèn)題，可靠性低，需要復(fù)雜的隔離驅(qū)動(dòng)電路幾百W幾kW各種工業(yè)用電源，計(jì)算機(jī)電源等推挽推挽變壓器雙向勵(lì)磁，變壓器一次側(cè)電流回路中只有一個(gè)開(kāi)關(guān)，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單有偏磁問(wèn)題幾百W幾kW低輸入電壓的電源各種不同的間接直流變流電路的比較各種不同的間接直流變流電路的比較3.8 全波整流電路全波整流電路雙端電路雙端電路中常用整流電路形式為中常用整流電路形式為全波整流電路全波整流電路和和全橋整流電路全橋整流電路。全波整流電路的特點(diǎn)全波整流電路的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：電感優(yōu)點(diǎn)：電感L的電流回路中只有的電流回路中只有一個(gè)