DCDC開(kāi)關(guān)電源

1、摘要本文首先歸納了文獻(xiàn)中提到的幾種三電平直流變換器，從中總結(jié)出了一種三電平拓?fù)涞幕咀儞Q方法，應(yīng)用這種基本方法及其改進(jìn)方法得到了其它一些直流變換器的三電平拓?fù)?，?duì)基本方法進(jìn)行改進(jìn)，提出了適合6種單管直流變換器的三電平拓?fù)渥儞Q方法，成功地得到了其三電平拓?fù)?，開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力降為原來(lái)的一半;經(jīng)過(guò)對(duì)這些三電平拓?fù)淇刂撇呗缘纳钊胙芯浚敿?xì)論述了交錯(cuò)開(kāi)關(guān)方式可以最大幅度地減小電感的電流脈動(dòng)，從而可以在電流脈動(dòng)要求相同的情況下減小電感的設(shè)計(jì)值。提出一種Buck三電平變換器,該變換器中開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電壓的一半,采用交錯(cuò)控制方式,可以大大減小輸出濾波器的大小,詳細(xì)分析Buck三電平變換器的工作原理,分

2、析該變換器的輸入輸出特性,討論主要參數(shù)的設(shè)計(jì). 關(guān)鍵詞：三電平變換器；降壓三電平；交錯(cuò)控制；Pspice仿真AbstractSeveral TL converters are classified from papers of recent years, the basic method of TL topology derivation is obtained, which can be used to deduce the other kinds of TL topologies. Using the modified method, 6 kinds of TL topologies of

3、 single-switch converter are obtained. The deep research reveals that these TL topologies can have less value of the inductor by using interleaving modulation strategy compared with conventional modulation strategy on the condition that the current ripple of the inductor are the same.This paper prop

4、oses a Buck Three-Level (TL) converter, the voltage stress of the switches is the half of the input voltage. Employing interleaving control, the output filter can be significantly reduced. The operation principle of the Buck TL converter is analyzed in details. The characteristics of output-input of

5、 the Buck TL converter are derived and the filter parameter design is discussed.Keywords：Three-level converter,；Buck-TL；interleaving technique；Pspice simulation目 錄第1章 緒 論11.1 DC-DC 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向11.2 TL變換器的提出、推導(dǎo)及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)41.3研究目的、內(nèi)容及意義51.4 本章小結(jié)6第2章 開(kāi)關(guān)電源原理分析72.1 DCDC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)72.2 三電平變換器的推導(dǎo)112.3 本章小結(jié)17第3章

6、 DC-DC變換器Buck-TL電路工作原理183.1電路拓?fù)?83.2電感電流連續(xù)時(shí)Buck-TL 變換器的工作原理和基本關(guān)系183.3電感電流斷續(xù)時(shí)Buck-TL 變換器的工作原理和基本關(guān)系233.4 Buck-TL 變換器外部特性263.5 Buck-TL 變換器的優(yōu)點(diǎn)293.6 本章小結(jié)32第4章 DC-DC變換器Buck-TL電路的仿真研究334.1 主電路設(shè)計(jì)及控制電路的組成334.2 DC-DC變換器Buck-TL電路負(fù)載電壓和電感電流仿真波形344.3 DC-DC變換器Buck-TL電路輸入輸出電壓仿真波形364.4 DC-DC變換器Buck-TL電路其他仿真波形374.5 本

7、章小結(jié)38結(jié)論39參考文獻(xiàn)40致謝41第1章 緒 論1.1 DC-DC 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向開(kāi)關(guān)電源（Switching Mode Power Supply）是一種采用開(kāi)關(guān)方式工作的直流穩(wěn)壓電源。它以小型、輕量、高效的特點(diǎn)。被廣泛用于工業(yè)、民用及軍事電子設(shè)備的各個(gè)領(lǐng)域，成為現(xiàn)代電子設(shè)備的重要組成部分。近十五年來(lái)，成為世界各主要國(guó)家尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家研究的熱點(diǎn)。1955年美國(guó)的科學(xué)家羅耶（GH.Roger）首先研制成功了用磁芯的飽和來(lái)進(jìn)行自激振蕩的晶體管直流變換器。1957年美國(guó)查賽（JenSen）發(fā)明了自激式推挽雙變壓器，1964年美國(guó)科學(xué)家們提出取消工頻變壓器的串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)想，這對(duì)電源向體積和

8、重量的下降獲得了一條根本的途徑。到了1969年由于大功率硅晶體管的耐壓提高，二極管反向恢復(fù)時(shí)間的縮短等元器件改善，終于做成了25千赫的開(kāi)關(guān)電源。70年代由分立元件制成的各種開(kāi)關(guān)電源，均因效率不夠高，開(kāi)關(guān)頻率低，電路復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy而難于推廣。70年代后期以來(lái)隨著集成電路設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的進(jìn)步，各種開(kāi)關(guān)電源專(zhuān)用芯片大量問(wèn)世，這種新型節(jié)能電源才重獲發(fā)展。目前，開(kāi)關(guān)頻率已從2kHz左右提高到幾百千赫至幾兆赫。與此同時(shí)，供開(kāi)關(guān)電源使用的元器件也獲得長(zhǎng)足發(fā)展。自上世紀(jì)80年代開(kāi)始，高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是過(guò)去20年國(guó)際電力電子界研究的熱點(diǎn)之

9、一。準(zhǔn)諧振變換器(Quasi-resonant converters, QRCs)和多諧振變換器(Multi-resonantonverters, MRCS)出現(xiàn)在80年代中期。這是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的一次飛躍，這類(lèi)變換器中的諧元件只參與能量變換的某一個(gè)階段，而不是全程。它也是采用頻率調(diào)制的控制方法。80年代末出現(xiàn)了零開(kāi)關(guān)PWM變換器(Zero switching PWM converters)，它可以分為電壓開(kāi)關(guān)PWM變換器(Zero-voltage-switching PWM converters)和零電流開(kāi)關(guān)PWM變換器(Zero-current-switching PWM converters

10、)兩種。它們采用的是PWM控制，諧振元件的諧振作時(shí)間一般為開(kāi)關(guān)周期的1/10-1/50。上世紀(jì)90年代，隨著大規(guī)模分布電源系統(tǒng)的發(fā)展，一體化的設(shè)計(jì)觀念被推廣到更大容量、更高電壓的電源系統(tǒng)集成，提高了集成度，出現(xiàn)了集成電力電子模塊（IPEM）。IPEM將功率器件與電路、控制以及檢測(cè)、執(zhí)行等元件集成封裝，得到標(biāo)準(zhǔn)的，可制造的模塊，既可用于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，也可用于專(zhuān)用、特殊設(shè)計(jì)。優(yōu)點(diǎn)是可快速高效為用戶(hù)提供產(chǎn)品，顯著降低成本，提高可靠性6。近年來(lái)，為縮小開(kāi)關(guān)變換器的體積和重量，提高其功率密度，并改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)，開(kāi)關(guān)頻率大幅度的提高，高頻化成為一種趨勢(shì)。小功率DC-DC變換器開(kāi)關(guān)頻率將由200500kHz提高到

11、1MHz以上，但是高頻化又會(huì)產(chǎn)生新的問(wèn)題，其一，開(kāi)關(guān)損耗以及無(wú)源元件的損耗增大；其二，高頻寄生參數(shù)影響增大以及高頻電磁干擾問(wèn)題嚴(yán)重。因此，為減小損耗，提高效率，采用了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，包括無(wú)源無(wú)損（吸收網(wǎng)絡(luò)）軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，有源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。對(duì)于中小功率應(yīng)用場(chǎng)合，通常采用兩種最為簡(jiǎn)單的電路拓?fù)洌赫ぷ儞Q器和反激變換器。正激變換器實(shí)際上是由Buck變換器演變出來(lái)的隔離開(kāi)關(guān)變換器，其中，與Buck變換器的不同之處在于變壓器不再起電感的作用，而是一個(gè)完全意義上的變壓器，只起到隔離和變壓的作用，變壓器中只存儲(chǔ)激磁所需的少量能量。反激變換器實(shí)際上是在Buck-Boost變換器中插入隔離變壓器而得到的，其中，隔離變壓

12、器是個(gè)多繞組耦合電感，具有儲(chǔ)能、變壓和隔離的作用，由于反激變換器具有使用元件少、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在低成本、小模塊空間、小功率應(yīng)用場(chǎng)合非常受歡迎。我國(guó)開(kāi)關(guān)電源及開(kāi)關(guān)電源變壓器的研究起步較晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大。80年代后期，第一批引進(jìn)澳大利亞技術(shù)，開(kāi)發(fā)48V、50A(開(kāi)關(guān)頻率為40KHz)和48V、100A(開(kāi)關(guān)頻率為20KHz)高頻開(kāi)關(guān)電源，這在當(dāng)時(shí)，被認(rèn)為是我國(guó)最先進(jìn)的開(kāi)關(guān)電源。自此以后，我國(guó)一方面派員參加各種國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，如國(guó)際通信能源會(huì)議(International Tele Communi-Cation Enexgy Conference)和弗及尼亞電力電子研討中心(Virgi

13、nia Power Electronic Center 簡(jiǎn)稱(chēng)VPEC)，組織的國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)，一方面吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，在國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)自己的開(kāi)關(guān)電源及其變壓器，現(xiàn)在己有郵電部武漢電源廠、通信儀表廠、杭州橋興，等很多廠家正在吸取國(guó)外先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)開(kāi)發(fā)自己的開(kāi)關(guān)電源及其變壓器。在我國(guó)入世之后，國(guó)內(nèi)開(kāi)關(guān)電源研發(fā)、生產(chǎn)單位將直接面對(duì)國(guó)外開(kāi)關(guān)市場(chǎng)電源市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，而高頻開(kāi)關(guān)電源又是一次技術(shù)含量較高的電力電子產(chǎn)品。高可靠性是第一位重要的指標(biāo)，其次，電磁干擾（EMI）、功率因數(shù)校正（PFC）、工藝結(jié)構(gòu)、效率、體積、重量和成本等指標(biāo)，也是決定我們的產(chǎn)品能否參與國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的重要因素。但由于我國(guó)配套工業(yè)落后，并且對(duì)高頻開(kāi)

14、關(guān)電源變壓器等磁性器件缺乏深入的研究和相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)，導(dǎo)致我國(guó)目前產(chǎn)品化的開(kāi)關(guān)電源工作頻率均在200KHz以下，近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多研究單位在開(kāi)關(guān)電源的理論分析方面做了大量的工作，如清華大學(xué)研究了動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，電子科技大學(xué)在建模、仿真設(shè)計(jì)、拓樸結(jié)構(gòu)等方面己連續(xù)跟蹤研究數(shù)年，國(guó)內(nèi)其他高校如西北工業(yè)大學(xué)等以及信息產(chǎn)業(yè)部(如電子10所、43所等)和軍隊(duì)系統(tǒng)的一些研究所也進(jìn)行了這方面的研究。目前正在研制工作頻率>1MHz的開(kāi)關(guān)電源；在尺寸方面，開(kāi)關(guān)電源的體積也大大縮小5。而隨著技術(shù)的進(jìn)步，DC/DC開(kāi)關(guān)電源朝著高可靠、高穩(wěn)定、低噪聲、抗干擾和實(shí)現(xiàn)模塊化方向發(fā)展：1、專(zhuān)用化：對(duì)通信電源等大功率系統(tǒng)

15、，采用集成的開(kāi)關(guān)控制器和新型的高速功率開(kāi)關(guān)器件，改善二次整流管的損耗、變壓器電容器小型化，達(dá)到最佳的效率。對(duì)于小型便攜式電子設(shè)備，則主要是單片集成開(kāi)關(guān)電源的形式，采用新型的控制方式和電路結(jié)構(gòu)來(lái)減小器件體積、減小待機(jī)功耗，提供低輸出電壓、高輸出電流以適應(yīng)微處理器和便攜式電子設(shè)備等產(chǎn)品電源系統(tǒng)的供電要求。2、抗電磁干擾：當(dāng)開(kāi)關(guān)電源在高頻下工作時(shí)，噪聲通過(guò)電源線產(chǎn)生對(duì)其它電子設(shè)備的干擾，世界各國(guó)已有抗電磁干擾的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。3、高可靠：開(kāi)關(guān)電源比線性電源使用的元器件多數(shù)十倍，因此降低了可靠性從壽命角度出發(fā)，電解電容、光耦合器、開(kāi)關(guān)管及高頻變壓器等決定電源的壽命。追求壽命的延長(zhǎng)要從設(shè)計(jì)方面著手，而不是依

16、賴(lài)使用方4、高頻率：隨著開(kāi)關(guān)頻率的不斷提高，開(kāi)關(guān)變換器的體積也隨之減少，功率密度也得到大幅提升，動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到改善。小功率DC/DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率將上升到MHz。但隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，開(kāi)關(guān)元件和無(wú)源元件損耗增加、高頻寄生參數(shù)以及高頻電磁干擾(EMI)等新的問(wèn)題也將隨之發(fā)生，因此實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通(ZVS)、零電流關(guān)斷(ZCS)的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)將成為開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品未來(lái)的主流。5、低噪聲：與線性電源相比，開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)缺點(diǎn)是噪聲大，單純追求高頻化，噪聲也隨之增大。采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，在原理上既可以高頻化，又可以降低噪聲。6、控制技術(shù)的研究進(jìn)展：最早出現(xiàn)的控制技術(shù)是電壓型PWM控制。電壓型PWM控制閉環(huán)

17、系統(tǒng)中只有一個(gè)電壓反饋環(huán)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)化，控制機(jī)理簡(jiǎn)單直接，利于進(jìn)行模型分析和仿真。它同時(shí)能夠完成具有相當(dāng)精度的恒壓恒流控制，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。但是電壓型DC/DC變換器是一個(gè)單環(huán)系統(tǒng)，它的LC濾波器具有雙極點(diǎn)二階特性，需要加一個(gè)很大的補(bǔ)償電容。而加大補(bǔ)償電容雖然能得到好的小信號(hào)特性，卻使它的大信號(hào)特性變差。電流型控制系統(tǒng)則具有天生的電流保護(hù)功能。在電流型開(kāi)關(guān)電源中，由于電流反饋環(huán)采用了直接的電感電流峰值檢測(cè)技術(shù)，它可以及時(shí)、靈敏地檢測(cè)出輸出變壓器或功率開(kāi)關(guān)中的瞬態(tài)電流值，自然形成了逐個(gè)電流脈沖檢測(cè)電路。不管是電壓型還是電流型PWM控制方式都能在較高的負(fù)載下獲得很高的效率，然而在

18、輕載時(shí)，由于高頻帶來(lái)的功率損耗嚴(yán)重的影響DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率。恒頻電流型變換器的占空比大于50%時(shí)，就存在內(nèi)環(huán)電流工作不穩(wěn)定的問(wèn)題，需要在內(nèi)環(huán)加斜坡補(bǔ)償信號(hào)。目前斜坡補(bǔ)償技術(shù)很成熟，能夠很好的使得變換器在任何脈沖占空比情況下正常工作。1.2 TL變換器的提出、推導(dǎo)及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) TL變換器的提出近年來(lái)隨著對(duì)電力電子技術(shù)的深入研究，人們對(duì)使用市電的功率變換裝置的用電質(zhì)量提出了越來(lái)越嚴(yán)格的要求。國(guó)際電工委員會(huì)已經(jīng)制定了標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-2，對(duì)諧波含量進(jìn)行限制。這樣電氣裝置就有必要采用功率因數(shù)校正技術(shù)(Power Factor Correction，PFC)。三相PFC變換器的

19、輸出直流電壓一般為700-800VDC，甚至?xí)哌_(dá)1000VDC。若在整流器中使用三相PFC變換器，就會(huì)使得后級(jí)直流變換器中開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力增高。為了降低直流變換器中開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力，參考NPC逆變器，提出種直流變換器。它最突出的特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力是零電壓開(kāi)PWM全橋直流變換器(ZVS PWM FB Converter)中開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力的一半，只有輸電源電壓的112;除此以外它還有ZVS PWM FB Converter所有的優(yōu)點(diǎn):可以在寬調(diào)制下實(shí)現(xiàn)ZVS、變換效率高、開(kāi)關(guān)頻率恒定等等。 TL變換器的推導(dǎo)過(guò)程由于該變換器中、D5、D6組成的橋臂逆變器中的橋結(jié)構(gòu)相同，因此文中稱(chēng)之為T(mén)L橋臂，

20、并稱(chēng)該變換器為ZVS PWM TL變換器。TL變換器的推導(dǎo)過(guò)程仔細(xì)研究上述TL變換器中變壓器原邊的主電路，發(fā)現(xiàn)它們實(shí)質(zhì)上是半橋直流變換器的拓?fù)渥儞Q，可以這樣來(lái)理解它的推導(dǎo)過(guò)程：i)為了解決開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力高的問(wèn)題，首先要找到開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力的來(lái)源。在半橋直流變換器中，開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力大小等于輸入電源電壓，來(lái)源即是輸入電源；ii)將輸入電源電壓均分為大小相等的兩份。這在半橋直流變換器中已經(jīng)具備兩只電容己經(jīng)將輸入電壓均分；iii)將兩只開(kāi)關(guān)管的每一只分別用兩只串聯(lián)的開(kāi)關(guān)管代替，這樣兩只開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力之和就是原來(lái)一只開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力；iv)分別加入箱位二極管DS、D6，使相互串聯(lián)的兩只開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力

21、保持均衡這樣就得到了上述TL變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？梢苑Q(chēng)該推導(dǎo)過(guò)程為半橋直流變換器的TL拓?fù)渥儞Q過(guò)程，并在下文中改稱(chēng)該變換器為半橋TL變換器。 國(guó)內(nèi)外對(duì)TL變換器的研究現(xiàn)狀從半橋直流變換器的幾拓?fù)渥儞Q過(guò)程很容易就聯(lián)想到其它直流變換器也可能有類(lèi)似的拓?fù)渥儞Q過(guò)程。事實(shí)也是如此。基于Buck變換器首先提出了一種Buck-TL變換器。在此基礎(chǔ)上，又提出了Buck四電平變換器、Buck多電平變換器(MultiLevel Converter，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為ML變換器)。該文中還提出了一種適合Buck四電平變換器的控制策略。有的文獻(xiàn)也討論了Buck-TL變換器，并提到了適合它的控制策略。但是，這些文獻(xiàn)中都沒(méi)有詳細(xì)分

22、析Buck-TL變換器的實(shí)質(zhì)是Buck直流變換器的TL拓?fù)渥儞Q，也沒(méi)有仔細(xì)論證所提出的控制策略針對(duì)Buck-TL變換器是否已經(jīng)最佳?；贐oost變換器提出了一種Boost-TL變換器。同時(shí)給出了一種控制策略，并在該控制策略下，大大減小了電感的設(shè)計(jì)值。一些文獻(xiàn)也討論了該變換器。但是，這些文獻(xiàn)也沒(méi)有詳細(xì)分析Boost-TL變換器的拓?fù)渥儞Q實(shí)質(zhì)，同樣也沒(méi)有論證電感電流脈動(dòng)的減小與控制策略的關(guān)系。在Boost型三相三管TL整流電路的基礎(chǔ)上，基于Sepic變換器提出了Sepic型三相三管TL高功率因數(shù)整流電路；基于Cuk變換器提出了Cuk型三相三管幾高功率因數(shù)整流電路，這兩種TL變換器由于都只有一只開(kāi)

23、關(guān)管，它們只能使得輸出為三電平而不能使得開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力降低，同樣無(wú)法調(diào)整控制策略來(lái)減小濾波器大小。于是提出了一種推挽TL逆變器。該逆變器僅僅可以降低開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力，無(wú)法通過(guò)調(diào)整控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)。在一個(gè)文獻(xiàn)中又提到了混合ML開(kāi)關(guān)變換器。其實(shí)它是兩個(gè)全橋TL變換器的組合。但是該文獻(xiàn)中并沒(méi)有對(duì)每個(gè)全橋TL變換器進(jìn)行拓?fù)浞治?，更沒(méi)有針對(duì)該變換器尋找最佳開(kāi)關(guān)方式。也提到了全橋TL變換器的部分結(jié)構(gòu)，如TL橋臂，同樣也沒(méi)有對(duì)拓?fù)渥儞Q和控制策略進(jìn)行分析論證。隨著技術(shù)的進(jìn)步，總結(jié)了TL拓?fù)渥儞Q的思想，提出了陽(yáng)極單元、陰極單元等兩種基本TL單元，將這兩種單元放置到其它幾種直流變換器中，得到了一系列

24、的TL變換器。隨著研究的深入，TL技術(shù)的研究范圍也在擴(kuò)大，將TL技術(shù)及其衍生出的ML技術(shù)推廣到各種三相或單相整流器、兩象限及雙向變換器等，并應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。1.3研究目的、內(nèi)容及意義 課題的研究目的1、開(kāi)關(guān)電源在國(guó)民生產(chǎn)中的重要地位和開(kāi)關(guān)電源研究的意義； 2、DC-DC變換器Buck三電平電路減小輸出電壓脈動(dòng)的重要意義；3、DC-DC變換器Buck三電平電路的工作原理、CCM和DCM模式下工作原理的不同和主要優(yōu)缺點(diǎn)、輸出濾波器的設(shè)計(jì)和三電平開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力的計(jì)算；4、通過(guò)ORCAD仿真軟件分析并驗(yàn)證工作原理的正確性。 課題研究的內(nèi)容和意義單管直流變換器沒(méi)有電氣隔離，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在中小功率的開(kāi)關(guān)電源

25、中應(yīng)用較多，其TL拓?fù)渥儞Q過(guò)程值得探討;其電感有可能在新的控制策略下得到進(jìn)一步減小。對(duì)單管直流變換器TL拓?fù)渥儞Q的研究，可以使開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力降低一半，采用交錯(cuò)開(kāi)關(guān)方式后，電感電流脈動(dòng)最大值可以大幅減小。這樣就可以拓寬該變換器的應(yīng)用場(chǎng)合，降低濾波器的尺寸。推挽直流變換器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在需要隔離的中小功率開(kāi)關(guān)電源中也經(jīng)常用到。但該變換器也存在一些諸如開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力高、容易出現(xiàn)偏磁現(xiàn)象、很難實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)等問(wèn)題使得其應(yīng)用受到限制。若能對(duì)該變換器進(jìn)行TL拓?fù)渥儞Q并假以新的控制策略，就可以解決該變換器存在的一些問(wèn)題，拓寬變換器的應(yīng)用范圍。對(duì)推挽直流變換器TL拓?fù)渥儞Q的研究，同樣可以使開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力降低一半

26、，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，改善開(kāi)關(guān)管的工作條件，從而也可以拓寬該變換器的應(yīng)用場(chǎng)合。全橋直流變換器中開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電源電壓，與推挽直流變換器開(kāi)關(guān)管相比電壓應(yīng)力降低了一半，這種結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)可以使它的輸入電源電壓較高，變換效率也相對(duì)可以更高，所以這種變換器在中大功率的開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用較多。若能對(duì)它進(jìn)行TL拓?fù)渥儞Q，無(wú)疑可以使之工作在輸入電壓更高的場(chǎng)合，變換效率可以更高，進(jìn)一步拓寬它的應(yīng)用范圍。對(duì)全橋直流變換器TL拓?fù)渥儞Q的研究，同樣可以使開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力降低一半，同時(shí)尋找到的最佳開(kāi)關(guān)方式可以使濾波電感電流脈動(dòng)降到最低。這樣就可以使該變換器工作在輸入電壓更高的場(chǎng)合，同時(shí)可以降低濾波器的尺寸。

27、1.4本章小結(jié)本章首先概述了DC-DC變換器的發(fā)展方向，并且對(duì) TL變換器的提出、發(fā)展及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)述， 指出了該課題來(lái)源與目的，最后對(duì)本文研究的內(nèi)容及實(shí)際意義進(jìn)行了較為詳細(xì)的說(shuō)明。第2章 開(kāi)關(guān)電源原理分析隨著通訊、計(jì)算機(jī)行業(yè)的日益發(fā)展，各種用電設(shè)備越來(lái)越多，由于這些設(shè)備的輸入多采用不可控整流方式，輸入諧波電流較大，功率因數(shù)較低，不僅影響鄰近其它用電設(shè)備的工作，而且也使輸電線上損耗增加。為此，國(guó)際上的一些學(xué)術(shù)組織和國(guó)家頒布或?qū)嵤┝艘恍┹斎腚娏髦C波限制標(biāo)準(zhǔn)，如IEC5552、IEEE519、IECl00032等，以達(dá)到減少電源設(shè)備對(duì)交流電網(wǎng)的諧波污染。為了減小諧波電流，通常的做法是采用

28、功率因數(shù)校正技術(shù)。而中、大功率的高頻開(kāi)關(guān)電源一般為三相380VAC±20%輸入，整流后的直流母線電壓最高將會(huì)達(dá)到640V左右;如果采用三相尸廠亡技術(shù)，直流母線電壓通常會(huì)達(dá)到760800VDC，甚至要達(dá)到1000VDC以上。這使得后級(jí)直流變換器開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力大大增加，給器件的選取帶來(lái)了困難。2.1 DCDC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本節(jié)主要研究非隔離式DCDC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 降壓型DCDC變換器其主電路如下圖所示：圖2.1 降壓型DC-DC變換器主電路其中，功率MOSFET為開(kāi)關(guān)調(diào)整元件，它的導(dǎo)通與關(guān)斷由控制電路決定；L和C為濾波元件；開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，二極管VD可保持輸出電流連續(xù)，所以通常稱(chēng)為

29、續(xù)流二極管?？刂齐娐份敵鲂盘?hào)使開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，濾波電感L中的電流逐漸增加，因此貯能也逐漸增大，電容器C開(kāi)始充電。忽略MOSFET的導(dǎo)通壓降，MOSFET源極電壓應(yīng)為，濾波電感兩端電壓應(yīng)為 (2-1)由此剛以得出 (2-2)假定輸入電壓和輸出電壓保持不變，可以得到 (2-3)式中為VT導(dǎo)通前流過(guò)電感L中的電流。可以看出，VT導(dǎo)通期間，流過(guò)電感L的電流IL線性上升。VT導(dǎo)通狀態(tài)結(jié)束時(shí)，即時(shí)，L中的電流達(dá)到最大值，即 (2-4)控制電路使開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感L中的電流將減小，L兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電壓使二極管VD導(dǎo)通，電感L中貯存的能量通過(guò)續(xù)流二極管傳輸?shù)截?fù)載。忽略續(xù)流二極管的導(dǎo)通壓降，電感兩端電壓應(yīng)為

30、(2-5)由此可以得出 (2-6)設(shè)輸出電壓保持不變，則有 (2-7)式中為開(kāi)關(guān)管斷流前流過(guò)電感L的電流。開(kāi)關(guān)管關(guān)斷狀態(tài)結(jié)束(即)時(shí)，電感中的電流下降到最小值，即 (2-8)將該式帶入電感電流最大值表示式，經(jīng)適當(dāng)整理后，可以得到 (2-9)式中，T為開(kāi)關(guān)管控制信號(hào)的周期，即ton+toff， D為開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間與控制信號(hào)周期之比，通常稱(chēng)為控制信號(hào)的占空比。從該式可以看出，由于占空比小于l，該電路輸出電壓總是低于輸入電壓，因此將其稱(chēng)為降壓型DCDC變換器。在該電路中，輸入電壓變化時(shí)，保持控制信號(hào)的周期T不變，改變開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間ton(即改變控制信號(hào)的占空比D)，可使輸出電壓保持穩(wěn)定，這種方式稱(chēng)

31、為脈沖寬度調(diào)制(PWM)。輸出電壓的表示式也可變?yōu)?(2-10)式中f為控制信號(hào)的頻率?？梢钥闯?，輸入電壓變化時(shí)，保持控制信號(hào)的寬度(即開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間ton)不變，改變控制信號(hào)的頻率，也可以穩(wěn)定變換器的輸出電壓，這種方式稱(chēng)為脈沖頻率調(diào)制(PFM)。電感L中的電流IL，在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)上升，在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)下降。若在這樣一個(gè)周期T中，IL下降到零，并在之后一直保持為零，則開(kāi)關(guān)電源工作在非連續(xù)電流模式(DCM)，否則工作在連續(xù)電流模式下(CCM)。2.1.2 升壓型DCDC變換器其主電路如下圖所示。功率MOSFET作開(kāi)關(guān)調(diào)整元件，它的導(dǎo)通與關(guān)斷由控制電路決定：L為升壓電感；VD為升壓二極管；C為濾波電

32、容器。開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，電源電壓加在貯能電感L的兩端，即 (2-11)圖2.2升壓型DCDC變換器主電路由此可以得出 (2-12)假設(shè)輸入電壓保持不變，則 (2-13)式中為開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通前流過(guò)電感L的電流?？梢钥闯?，開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通后，流過(guò)電感的電流線性上升，開(kāi)關(guān)管中的電流也線性上升。當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)終止(即)時(shí)，電感L中的電流達(dá)到最大值，即 (2-14)式中ton為開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間。開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通結(jié)束時(shí)，電感L中貯存的能量為 (2-15)開(kāi)關(guān)管VT關(guān)斷時(shí)，電感L兩端電壓反向，該電壓UL與輸入電源電壓疊加后，通過(guò)升壓二極管VD和濾波電容C加到負(fù)載兩端。忽略升壓二極管VD的導(dǎo)通壓降，則升壓電感L兩端電

33、壓為 (2-16)流經(jīng)電感L的電流為 (2-17)當(dāng)t-t1=toff時(shí)，流過(guò)電感的電流最小，其值為 (2-18)將的表達(dá)式帶入的表達(dá)式中，得 (2-19)該式經(jīng)整理后可得 (2-20)由該式可以看出，這種電路的輸出電壓高于輸入電壓，所以將其稱(chēng)為升壓型DCDC變換器。工作過(guò)程中，調(diào)整功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間ton或關(guān)斷時(shí)間toff都可以改變變換器的輸出電壓。2.1.3 升壓降壓型DCDC變換器其主電路如下圖所示：圖2.3 升壓/降壓型DCDC變換器主電路功率開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，隔離二極管VD因承受反向偏壓而關(guān)斷。輸入電源電壓加在貯能電感L兩端，電感電流為 (2-21)功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通結(jié)束( )時(shí)，流過(guò)

34、電感中的電流達(dá)到最大值，即 (2-22)功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感兩端產(chǎn)生反向電壓，即下端為正，上端為負(fù)。隔離二極管VD因承受正向電壓而導(dǎo)通，忽略VD的正向電壓降，電感兩端的電壓即為輸出電壓，即 (2-23)功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間，電感L中的貯能通過(guò)負(fù)載電阻RL和濾波電容C釋放，iL由最大值開(kāi)始下降： (2-24)當(dāng)VT關(guān)斷結(jié)束( )時(shí)，電感電流下降到最小值，即 (2-25)將電感電流的最小值代入表達(dá)式中，可得 (2-26)由上式可見(jiàn)，當(dāng)占空比D大于0.5時(shí)，輸出電壓高于輸入電壓；當(dāng)占空比小于0.5時(shí)，輸出電壓低于輸入電壓，因此，該電路稱(chēng)為升壓降壓型DCDC變換器。2.2 三電平變換器的推導(dǎo) 基本三電

35、平單元傳統(tǒng)TL變換器可以這樣來(lái)理解:圖2-4(a)是一個(gè)半橋變換器，其開(kāi)關(guān)管上電壓應(yīng)力為輸入電壓。為了降低開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力，可以用兩只開(kāi)關(guān)管串聯(lián)來(lái)替代一只開(kāi)關(guān)管，如圖2-4(b)所示。但是由于相互串聯(lián)的兩只開(kāi)關(guān)管的特性有可能不一致，同時(shí)其驅(qū)動(dòng)電路特性也可能不一樣，因此當(dāng)兩只開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，它們所承受的電壓可能不相等，一只開(kāi)關(guān)管的電壓高于，而另一只開(kāi)關(guān)管的電壓則低于。為了確保兩只開(kāi)關(guān)管所承受的電壓均為，可以加入兩只中點(diǎn)箝位二極管D5和D6，如圖2-4(c)所示。這就得到了一種新型變換器。從結(jié)構(gòu)上看，陰影部分是TL逆變器的一個(gè)橋臂，因此稱(chēng)此變換器為T(mén)L變換器。實(shí)際上，它本質(zhì)上還是一個(gè)半橋電路。因此我

36、們定義它為HB TL變換器。圖2-4 HB TL變換器的推導(dǎo)過(guò)程從圖2-4所示的推導(dǎo)過(guò)程可以看出，TL變換器的核心是用兩只開(kāi)關(guān)管串聯(lián)替代一只開(kāi)關(guān)管以降低電壓應(yīng)力，并引入一只箝位二極管和一個(gè)箝位電壓源(一分為二)確保兩只開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力均衡。從圖2-4(c)中可以看出，開(kāi)關(guān)管位置不同，其箝位電壓源與箝位二極管的接法也不同。從該圖中可以提取出兩個(gè)基本TL單元，如圖2-5所示。在圖2-5(a)中，箝位電壓源的正極與一只開(kāi)關(guān)管的流入極(對(duì)于MOSFET，為D極:對(duì)于IGBT，則為C極)，這時(shí)箝位二極管的陽(yáng)極與箝位電壓源的中點(diǎn)相聯(lián)，如圖2-5(a)，我們稱(chēng)之為陽(yáng)極單元;在圖2-5(b)中，箝位電壓源的負(fù)極

37、與一只開(kāi)關(guān)管的流出極(對(duì)于MOSFET，為S極;對(duì)于IGBT，則為E極)，這時(shí)箝位二極管的陰極與箝位電壓源的中點(diǎn)相聯(lián)，我們稱(chēng)之為陰極單元。圖2-5 基本TL開(kāi)關(guān)單元為了確保兩只開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力均衡，開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷時(shí)序很重要。對(duì)于陽(yáng)極單元，必須在之前關(guān)斷，這樣原來(lái)流過(guò)的電流就轉(zhuǎn)移到箱位二極管Dc中，的電壓應(yīng)力就被箱在。當(dāng)關(guān)斷時(shí)，其電壓應(yīng)力自然為。如果在之后關(guān)斷，那么關(guān)斷后其電壓應(yīng)力將為，顯然沒(méi)有起到降低電壓應(yīng)力的作用。對(duì)于陰極單元而言，必須在之前關(guān)斷，這樣原來(lái)流過(guò)必的電流就轉(zhuǎn)移到箱位二極管中，的電壓應(yīng)力就被箱在。如果先關(guān)斷，其電壓應(yīng)力將為Vcl?？傊?，對(duì)于基本TL單元而言，構(gòu)成閉合回路的那只開(kāi)關(guān)管

38、必須先于另一只開(kāi)關(guān)管先關(guān)斷，才能保證兩只開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力均衡。2.2.2 三電平直流變換器的推導(dǎo)根據(jù)圖2-4的思想，我們可以推出所有直流變換器的TL結(jié)構(gòu)，包括Buck , Boost ,Buck-Boost, Cuk, Sepic和Zeta等六種不隔離的TL變換器和正激、反激、推挽、全橋等隔離的TL變換器。在這些變換器中，開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力均為其基本電路的一半。下面以Buck TL變換器為例闡述TL變換器的推導(dǎo)步驟。圖2-6 Buck-TL變換器的推導(dǎo)過(guò)程步驟1:將基本變換器中的開(kāi)關(guān)管替換為一相互串聯(lián)的兩只開(kāi)關(guān)管，如將Q替換為和，如圖2-6(b)所示;步驟2:尋找或構(gòu)成箱位電壓源。分析基本變換器

39、中開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力，如果在變換器中存在與開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力相等的電壓，就可以以此電壓作為箱位電壓源，否則則需在變換器中構(gòu)成一個(gè)箱位電壓源。當(dāng)尋找到或構(gòu)成箱位電壓源后，將其分為兩個(gè)相等的電壓源(用兩個(gè)相等的電解電容相串聯(lián))。在Buck變換器中，開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電壓，則可用兩個(gè)容量相等的電容和將輸入電壓一分為二，得到兩個(gè)電壓為的電壓源，如圖2-6(c)所示;步驟3:從箱位電壓源的中點(diǎn)引入一只箱位二極管到兩只開(kāi)關(guān)管的中點(diǎn)，箱位二極管的放置與兩只開(kāi)關(guān)管與箱位電壓源聯(lián)結(jié)的地方有關(guān)。如果開(kāi)關(guān)管的流入極與箱位電壓源的正極相連，那么箱位二極管的陽(yáng)極與箱位電壓源的中點(diǎn)相連，構(gòu)成一個(gè)陽(yáng)極單元;如果開(kāi)關(guān)管的的流

40、出極與箱位電壓源的負(fù)極相連，那么箱位二極管的陰極與箱位電壓源的中點(diǎn)相連，構(gòu)成一個(gè)陰極單元。圖2-6(d)所示為一個(gè)由陽(yáng)極基本單元構(gòu)造的Buck TL變換器。按照上述的步驟，我們可以推出所有基本變換器的三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖3-6給出的是不隔離的6種變換器的三電平電路。對(duì)于Boost變換器，其開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸出電壓Vo，因此其箱位電壓源直接利用輸出電壓。圖2-7 非隔離TL變換器2.2.3 非隔離TL變換器的改進(jìn)以上我們推導(dǎo)的非隔離TL變換器結(jié)構(gòu)，還存在著許多問(wèn)題，不能在實(shí)際中直接應(yīng)用，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。下面我們?nèi)砸訠uck電路為例加以說(shuō)明。如果Buck TL電路的兩只開(kāi)關(guān)管同時(shí)開(kāi)通和關(guān)斷，那

41、么輸出濾波器兩端的電壓波形v與基本Buck變換器的輸出濾波器兩端的電壓波形相同，如圖2-8(a)。但是如果將兩只開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)方式做一改變，使一直開(kāi)通，PWM控制，那么輸出濾波器兩端的電壓波形如圖2-8(b)所示。對(duì)比兩個(gè)波形可以發(fā)現(xiàn)，在相同的輸入電壓和輸出電壓的條件下，圖2-8(b)中電壓的交流分量顯然小于圖2-8(a)，這是因?yàn)榍罢咧挥泻?兩個(gè)電平，而后者存在 , 和0三個(gè)電壓(這里只用了和兩個(gè)電平，用到0電平的情況將在后面談到)。在得到相同的濾波效果時(shí)，后者所需的濾波電感要小得多，而濾波電感越小，變換器的動(dòng)態(tài)特性越好。圖2-8 輸出濾波器兩端的電壓波形但開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)方式的改變帶來(lái)兩個(gè)分壓電容

42、電壓不均衡的問(wèn)題。當(dāng)和同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，兩個(gè)分壓電容和同時(shí)向負(fù)載提供能量。當(dāng)關(guān)斷后，只有向負(fù)載提供能量。因此在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，提供的能量比提供的能量少，這樣就會(huì)導(dǎo)致的電壓越來(lái)越高，的電壓越來(lái)越低，最后的電壓為，而的電壓等于零。顯然變換器的工作狀態(tài)不正常。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以對(duì)變換器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。前面曾經(jīng)介紹過(guò)，基本TL單元有陰極與陽(yáng)極兩種結(jié)構(gòu)，利用陽(yáng)極單元可以構(gòu)成圖2-9(a)所示的Buck TL變換器，圖2-9 Buck TL變換器的改進(jìn)電路與此相同，利用陰極單元可以構(gòu)成與之對(duì)稱(chēng)的Buck TL變換器，如圖3-8(b)所示。兩個(gè)變換器的工作原理是完全相同的，但分壓電容的工作情況卻正好相反。令兩

43、變換器共用輸入分壓電容進(jìn)行加合，得到圖2-9(c)所示的電路。當(dāng)和一直導(dǎo)通時(shí)，圖2-9(c)電路等價(jià)于圖2-9(a)所示電路;當(dāng)和一直導(dǎo)通時(shí)，圖2-9(c)電路等價(jià)于圖2-9(b)電路。參考圖2-10，令該電路在第一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)、與一直導(dǎo)通，斬波工作，提供的能量比提供的能量多;在第二個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，、和一直導(dǎo)通，斬波工作，提供的能量比提供的能量多。第三個(gè)開(kāi)關(guān)周期與第一個(gè)開(kāi)關(guān)周期相同，第四個(gè)開(kāi)關(guān)周期與第二個(gè)開(kāi)關(guān)周期相同，一直這樣繼續(xù)下去。在相鄰的兩個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，和提供的能量相等，因此它們的電壓是均衡的。由于和一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，可以直接短接起來(lái)，因此可以去掉和。D1和D2串聯(lián)后同D3并聯(lián)，D3是冗余

44、的，可以去掉，這樣就得到了圖2-9(d)所示的Buck TL變換器。圖2-10 Buck TL變換器的控制方案注意到相鄰的兩個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是連在一起的，可以合而為一，這樣其開(kāi)關(guān)頻率就可以降低一半。也是類(lèi)似的情況。和的驅(qū)動(dòng)信號(hào)合起來(lái)后，它們?cè)跁r(shí)間上相差180o，即所謂的交錯(cuò)(Interleaving)開(kāi)關(guān)方法。輸出濾波器上得到的方波電壓的頻率為開(kāi)關(guān)頻率的兩倍。根據(jù)同樣的思路，可以得到Boost TL變換器、Buck-Boost TL變換器、Cuk TL變換器、Sepic TL變換器和Zeta TL變換器，如圖2-11所示，這樣我們就完整地提出改進(jìn)的非隔離TL變換器。圖2-11 改進(jìn)的非

45、隔離TL變換器2.3本章小結(jié)本章主要研究幾種非隔離式DCDC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理，三電平技術(shù)的起源及發(fā)展，而且還提出了基本TL單元的概念，對(duì)TL變換器的推導(dǎo)步驟進(jìn)行了闡述，提出了一組TL變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)其中存在的問(wèn)題加以剖析，由此推導(dǎo)出可在實(shí)際中應(yīng)用的六種非隔離三電平直流變換器的電路結(jié)構(gòu) 第3章 DC-DC變換器Buck-TL電路工作原理3.1電路拓?fù)鋱D3-1示出了Buck-TL變換器的主電路，其中和為兩個(gè)分壓電容，其電容量很大且相等，電壓均為輸入電壓的一半。、是兩只開(kāi)關(guān)管，和是續(xù)流二極管，是濾波電感，是濾波電容，是負(fù)載。和交錯(cuò)工作，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)相差180°相角。圖3

46、-1 Buck-TL變換器的電路圖3.2電感電流連續(xù)時(shí)Buck-TL 變換器的工作原理和基本關(guān)系圖中給出了不同開(kāi)關(guān)模態(tài)的等效電路，當(dāng)開(kāi)關(guān)管的占空比D大于0.5和小于0.5時(shí)，變換器工作模式有所不同，下面分別加以分析。（1）所有開(kāi)關(guān)管、二極管、電感、電容均為理想元器件。（2）且足夠大，均分輸入電壓，可以看成兩個(gè)電壓為的電壓源。（3）輸出電容足夠大，等效為電壓源在時(shí)的情況當(dāng)時(shí)，變換器的主要工作波形如圖3-2所示。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，變換器有4個(gè)開(kāi)關(guān)模態(tài)。圖3-2 電感電流連續(xù)時(shí)Buck-TL電路D0.5的波形（1）開(kāi)關(guān)模態(tài)1t0,t1.參見(jiàn)圖3-3所示。和同時(shí)導(dǎo)通，AB兩點(diǎn)間電壓為輸入電壓，和上的電

47、壓為.濾波電感上的電流線性增加。 （3.1）圖3-3 Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通的等效電路圖（2）開(kāi)關(guān)模態(tài)2t1,t2.參見(jiàn)圖3-4所示。t1時(shí)刻關(guān)斷，導(dǎo)通，AB兩點(diǎn)間電壓為輸入電壓，和上的電壓為.濾波電感上的電流線性下降。圖3-4 Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷的等效電路圖t2時(shí)刻開(kāi)通,電路進(jìn)入開(kāi)關(guān)模態(tài)3。開(kāi)關(guān)模態(tài)3與開(kāi)關(guān)模態(tài)1相同,如圖3-3所示。t3時(shí)刻關(guān)斷,進(jìn)入開(kāi)關(guān)模態(tài)4,如圖3-5所示。電路工作情況同開(kāi)關(guān)模態(tài)2類(lèi)似,此處不再贅述。圖3-5 Q2導(dǎo)通，Q1關(guān)斷的等效電路圖圖3-6 Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通的等效電路圖由圖3-2可知 （3-3） （3-4） （3-5）式中開(kāi)關(guān)周期,Ts=1/fs開(kāi)關(guān)頻率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)

48、通時(shí)間開(kāi)關(guān)管的截止時(shí)間占空比, 的電感電流脈動(dòng)值電感電流最小值電感電流最大值由式(3-4)和式(3-5)可知 （3-6） （3-7）在時(shí)的情況當(dāng)開(kāi)關(guān)管的占空比小于0.5時(shí),變換器的主要波形如圖3-7所示。一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)包括4個(gè)開(kāi)關(guān)模態(tài)圖3-7 電感電流連續(xù)時(shí)Buck-TL電路D<0.5的波形（1）開(kāi)關(guān)模態(tài)1t0,t1.參見(jiàn)圖3.4所示。和導(dǎo)通，和上的電壓均為 （3-8）（2）開(kāi)關(guān)模態(tài)2t1,t2.參見(jiàn)圖3.6所示。t1時(shí)刻關(guān)斷，和導(dǎo)通，=0，和上的電壓均為 （3-9）t2時(shí)刻開(kāi)通,電路進(jìn)入開(kāi)關(guān)模態(tài)3。開(kāi)關(guān)模態(tài)3與開(kāi)關(guān)模態(tài)1相類(lèi)似,如圖3.5所示。t3時(shí)刻關(guān)斷,電路進(jìn)入開(kāi)關(guān)模態(tài)4,同開(kāi)關(guān)模

49、態(tài)2工作情況相同,如圖3.3所示,此處不再贅述。由圖3.7可知 （3-10） （3-11） （3-12）式中時(shí)的電感電流脈動(dòng)值電感電流最小值電感電流最大值由式(3-11)和式(3-12)可知 （3-13） （3-14）3.3電感電流斷續(xù)時(shí)Buck-TL 變換器的工作原理和基本關(guān)系如果濾波電感較小或負(fù)載較輕，濾波電感電流將會(huì)斷續(xù)，從圖3-2和圖3-7中可以看出，當(dāng)負(fù)載電流減小到使（當(dāng)，;當(dāng)時(shí)，）時(shí)， ，此時(shí)的負(fù)載電流即為電感臨界連續(xù)電流 （3-15）而B(niǎo)uck-TL電路斷續(xù)時(shí)也分為和兩種情況在時(shí)的情況見(jiàn)圖3-8，以t0,t3半個(gè)開(kāi)關(guān)周期為例，當(dāng)和同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，從零線性增加，其最大值為： （3-16

50、）圖3-8電感電流斷續(xù)時(shí)Buck-TL電路D0.5的波形當(dāng)只有導(dǎo)通時(shí)，從線性下降，并且在t2時(shí)刻下降到零，即： （3-17）在t2,t3時(shí)段，電感電流為零，負(fù)載由輸出濾波電容供電。由式（3.16）和式（3.17）可以得到： （3-18）電感電流斷續(xù)時(shí)，輸出電流仍為濾波電感電流的平均值，即 （3.19）將式（3.16）和式（3.18）代入式（3.19），可得 （3-20）在時(shí)的情況見(jiàn)圖3-9，同樣以t0,t3半個(gè)開(kāi)關(guān)周期為例，當(dāng)導(dǎo)通時(shí)，從零線性增加，其最大值為： （3-21）圖3-9電感電流斷續(xù)時(shí)Buck-TL電路D<0.5的波形當(dāng)和同時(shí)關(guān)斷時(shí)，從線性下降，并且在t2時(shí)刻下降到零，即： （

51、3-22）在t2,t3時(shí)段，電感電流為零，負(fù)載由輸出濾波電容供電。由式（3-21）和式（3-22）可以得到： （3-23）輸出電流等于濾波電感電流的平均值，即： （3-24）將式（3-21）和式（3-22）代入式（3-24）可得： (3-25)3.4 Buck-TL 變換器外部特性在恒定占空比下,變換器輸出電壓與輸出電的關(guān)系稱(chēng)為變換器的外特性。3.4.1電感電流連續(xù)由式(3.3)和式(3.10)知道,當(dāng)電感電流連續(xù)時(shí) （3-26）3.4.2電感電流斷續(xù)如果濾波電感較小或負(fù)載較輕,濾波電感電將會(huì)斷續(xù)。由圖（3-3）、圖（3-4）、圖（3-5）、圖（3-6）和圖（3-9）可知,當(dāng)負(fù)載電流減小使時(shí),

52、 ,此時(shí)的負(fù)載電即為電感臨界連續(xù)電流,此時(shí)變換器的特性仍滿(mǎn)足關(guān)系式（3-26）。 (3-27)下面分和兩種情況討論變換器在電感電流斷續(xù)時(shí)的工作情況。在的情況由式(3-8)、(3-26)和(3-27)可以得到時(shí)的臨界連續(xù)電流 （3-28）式(17)表明與占空比D的關(guān)系為二次函數(shù),當(dāng)D=0.75時(shí),達(dá)到最大值 （3-29）將式(3-29)代入式(3-28),可得 （3-30）在時(shí),如果電感電流大于,變換器工作在電感電流連續(xù)狀態(tài),輸入輸出電壓比與負(fù)載電流無(wú)關(guān),滿(mǎn)足式(3-26);一旦電感電流小于,電路將工作在電感電流斷續(xù)狀態(tài),波形如圖3-10所示。圖3-10 D0.5電感電流斷續(xù)此時(shí) （3-31）式

53、中電感電流上升時(shí)間電感電流下降時(shí)間 （3-32） （3-33）穩(wěn)態(tài)時(shí)有，由式（3.32）和式（3.33）可知 （3-34）而 （3-35）將式（3-29）、（3-31）、（3-32）、（3-35）聯(lián)立，得到： （3-36）由式（3-36）可得： （3-37）上式就為變換器在時(shí)電感電流斷續(xù)時(shí)的外特性。在的情況在時(shí),由式(3-11)、(3-26)和(3-27)可以得到臨界連續(xù)電流 （3-38）式3.38表明與占空比的關(guān)系為二次函數(shù),當(dāng)D=0.25時(shí),臨界電流達(dá)到最大值 （3-39）將式（3-38）和式（3-39），有 （3-40）類(lèi)似于,在時(shí),如果電感電流大于時(shí),變換器工作在電感電流連續(xù)狀態(tài),輸入輸出電壓比與負(fù)載電流無(wú)關(guān),滿(mǎn)足式(3-26);一旦電感電流小于,那么變換器將工作在電感電流斷續(xù)狀態(tài),波形如圖3-11。圖3-11 D<0.5電感電流斷續(xù)此時(shí) （3-41）式中開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)