第5章DCDC變換技術應用

1、第5章DCDC變換技術應用第5章 DC-DC變換技術5.1 概述5.2 DC-DC變換器的基本電路拓撲5.3 帶變壓器隔離的DC-DC變換器原理5.4 PWM控制器原理返回第5章DCDC變換技術應用5.1 概述 將一個不受控制的輸入直流電壓變換成為另一個受控的輸出直流電壓稱之為DC-DC變換。 隨著科學技術的發(fā)展，對電子設備的要求是：性能更加可靠；功能不斷增加；使用更加方便；體積日益減小。這些使DC-DC變換技術變得更加重要。目前，DC-DC變換器在計算機、航空、航天、水下行器、通信及電視等領域得到了廣泛的應用，同時，這些應用也促進了DC-DC變換技術的進一步發(fā)展。 實現(xiàn)DC-DC變換有兩種模

2、式，一種是線性調節(jié)模式(Linear Regulator)，另一種是開關調節(jié)模式（Switching Regulator）。第5章DCDC變換技術應用1 1、兩種調節(jié)模式及比較、兩種調節(jié)模式及比較線性調節(jié)器模式如圖5-1a所示，在這種模式中晶體管工作在線性工作區(qū)，其輸出電壓為 。晶體管模型可以用可調電阻RT等效，其等效電路如圖5-1b所示。顯然晶體管功率損耗為 。開關調節(jié)模式如圖5-2a所示，其等效電路和輸出電壓如圖5-2b、5-2c所示。假設：晶體管關斷時， ；晶體管導通時 ；則該晶體管為理想開關（Ideal switch），在理想開關情況下，晶體管損耗為零。兩種模式的電源方塊圖如圖5-3a

3、和圖5-3b所示。第5章DCDC變換技術應用 圖5-1 a 線性調節(jié)器模式 b 等效電路圖5-2a開關調節(jié)模式圖 5-2b等效電路圖 5-2c輸出電壓第5章DCDC變換技術應用 a 線性模式電源框圖b 開關模式電源(SMPS: Switch-mode power supply)框圖圖5-3線性電源和開關電源框圖第5章DCDC變換技術應用 開關調節(jié)模式與線性調節(jié)模式相比具有明顯的特點： 1、功耗小、效率高。在DC-DC變換中，電力半導體器件工作在開關狀態(tài)，工作頻率很高，目前這個工作頻率已達到數(shù)百甚至1000KHz，這使電力半導體器件功耗減少、效率大幅度提高。 2、體積小、重量輕。由于頻率提高，使

4、脈沖變壓器、濾波電感、電容的體積、重量大大減小，同時，由于效率提高，散熱器體積也減小。還由于DC-DC變換無笨重的工頻變壓器，所以DC-DC變換體積小、重量輕。 3、穩(wěn)壓范圍寬。目前DC-DC變換中基本使用脈寬調制（PWM）技術，通過調節(jié)脈寬來調節(jié)輸出電壓，對輸入電壓變化也可調節(jié)脈寬來進行補償，所以穩(wěn)壓范圍寬。 由于電力半導體器件工作在高頻開關狀態(tài)，它所產生的電流和電壓會通過各種耦合途徑，產生傳導干擾和輻射干擾。目前，許多國家包括我國對電子產品的電磁兼容性和電磁干擾制定了許多強制性標準，任何電子產品如果不符合標準不得進入市場。第5章DCDC變換技術應用 2 DC-DC變換分類： 1）按激勵方式

5、劃分。由于電力半導體器件需要激勵信號，按激勵方式劃分為它激式和自激式兩種方式，它激式DC-DC變換中有專業(yè)的電路產生激勵信號控制電力半導體器件開關；自激式變換中電力半導體器件是作為振蕩器的一部分（作為振蕩器的振蕩管）。2） 按調制方式劃分。目前在變換中常使用脈寬調制和頻率調制兩種方式，脈寬調制PWM（pulse width modulation）是電力半導體器件工作頻率保持不變，通過調整脈沖寬度達到調整輸出電壓。頻率調制PFM（pulse frequent modulation）是保持開通時間不變，通過調節(jié)電力半導體器件開關工作頻率達到調整輸出電壓。頻率調制在DC-DC變換器設計中由于易產生諧

6、波干擾、且濾波器設計困難。脈寬調制與頻率調制相比具有明顯的優(yōu)點，目前在DC-DC變換中占據(jù)主導地位。還有混合式，即在某種條件下使用脈寬調制（PWM），在另一條件下使用頻率調制（PFM）。3）按儲能電感與負載連接方式劃分。可分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種。儲能電感串聯(lián)在輸入輸出之間稱之為串聯(lián)型；儲能電感并聯(lián)在輸出與輸入之間稱之為并聯(lián)型。第5章DCDC變換技術應用4）按電力半導體器件在開關過程中是否承受電壓、電流應力劃分。可分為硬開關和軟開關。所謂軟開關是指電力半導體器件在開關過程中承受零電壓（ZVS）或零電流（ZIS）。5）按輸入輸出電壓大小劃分?？煞譃榻祲盒秃蜕龎盒?。6）按輸入與輸出之間是否有電氣隔離

7、劃分。可分為隔離型和不隔離型。隔離型DC-DC變換器按電力半導體器件的個數(shù)可分為：單管DC-DC變換器單端正激（Forward）、單端反激(Flyback)；雙管DC-DC變換器雙管正激(Double transistor forward converter)、雙管反激（Double transistor flyback converter）、推挽電路（Push-pull converter）和半橋電路（Half-bridge converter）等；四管DC-DC變換器即全橋DC-DC變換器（Full-bradge converter）。不隔離型主要有降壓式（Buck）變換器、升壓式（Boo

8、st）變換器、升降壓式（Buck-Boost）變換器、Cuk變換器、Zeta變換器、Sepic變換器等。第5章DCDC變換技術應用3 3、 DC-DCDC-DC變換器的要求及主要技術指標變換器的要求及主要技術指標 1）輸入參數(shù)：輸入電壓及輸入電壓變化范圍；輸入電流及輸入電流變化范圍；2）輸出參數(shù)：輸出電壓及輸出電壓變化范圍；輸出電流及輸出電流變化范圍；輸出電壓穩(wěn)壓精度。輸出電壓穩(wěn)壓精度，包括兩個內容:負載調整率，即負載效應。指當負載在0-100%額定電流范圍內變化時，輸出電壓的變化量與輸出電壓額定值的比值。源效應是指當輸入電壓在規(guī)定范圍內變化時，輸出電壓的變化量與輸出電壓額定值的比值。效率輸出

9、電壓紋波有效值和峰-峰值比功率（功率/重量）,是表征小型化的重要指標。返回第5章DCDC變換技術應用5.2 DC-DC變換器的基本電路1 1 、BuckBuck電路電路 Buck電路又稱為串聯(lián)開關穩(wěn)壓電路，或降壓斬波電路。Buck變換器原理圖如圖5-5a所示。它有兩種基本工作模式，即電感電流連續(xù)模式CCM和電感電流斷續(xù)模式。電感電流連續(xù)是指輸出濾波電感電流總是大于零，電感電流斷續(xù)是指在開關管關斷期間有一段時間電感電流為零，這兩種狀態(tài)之間有一個臨界狀態(tài)，即在開關管關斷末期電感電流剛好為零。電感電流連續(xù)時，Buck變換器存在兩種開關狀態(tài)；電感電流斷續(xù)時，Buck變換器存在三種開關狀態(tài)；如圖5-5b

10、、c、d所示。 第5章DCDC變換技術應用圖5-5 Buck變換器原理圖及不同開關狀態(tài)下的等效電路圖 第5章DCDC變換技術應用將圖5-6所示的方波信號加到功率半導體器件的控制極，功率半導體器件在控制信號激勵下，周期性的開關。通過電感中的電流iL是否連續(xù)取決于開關頻率、濾波電感和電容的數(shù)值。電感電流iL連續(xù)條件下其工作波形如圖5-6a所示。電路穩(wěn)定狀態(tài)下的工作分析如下：1）電感電流連續(xù)模式CCM（Continuous current mode）第5章DCDC變換技術應用圖5-6 Buck電路圖各點波形第5章DCDC變換技術應用開關狀態(tài)1：Q導通t=0時刻，Q管被激勵導通，二極管D中的電流迅速轉

11、換到Q管。二極管D被截止，等效電路如圖5-5b所示，這時電感上的電壓為：若VO在這期間保持不變，則有：顯然即導通過程的電流變化：第5章DCDC變換技術應用開關狀態(tài)2：Q關斷t=ton時刻，Q關斷，儲能電感中的電流不能突變，于是電感L兩端產生了與原來電壓極性相反的自感電動勢，該電動勢使二極管D正向偏置，二極管D導通，儲能電感中儲存的能量通過二極管D向負載供電，二極管D的作用是續(xù)流，這就是二極管D被稱為續(xù)流二極管的原因。等效電路如圖5-5c所示，這時電感上的電壓為：顯然即關斷過程的電流變化：第5章DCDC變換技術應用顯然，只有Q管導通期間（ton內）電感L增加的電流等于Q管截止期間（toff時間內

12、）減少的電流，這樣電路才能達到平衡，才能保證儲能電感L中一直有能量，才能不斷地向負載提供能量和功率。 考慮到 和 ，可得 因此，Buck電路輸出電壓平均值與占空比成正比，從0變到1，輸出電壓從0變到,且輸出電壓最大值不超過輸入電壓。第5章DCDC變換技術應用由于濾波電容上的電壓等于輸出電壓，電容兩端的電壓變化量實際上就是輸出電壓的紋波電壓 ， 的波形如圖5-6a所示。因為 ，當 時，C充電，輸出電壓vo升高；當 時，C放電，輸出電壓vo下降，假設負載電流io的脈動量很小而可以忽略，則 ，即電感的峰峰脈動電流 即為電容C充放電電流。電容充電電荷量即電流曲線與橫軸所圍的面積 第5章DCDC變換技術

13、應用 由式可知，降低紋波電壓，除與輸入輸出電壓有關外，增大儲能電感L和濾波電容C可以起到顯著效果，提高電力半導體器件的工作頻率也能收到同樣的效果。在已知 、Vd、Vo和f的情況下根據(jù)上述公式可以確定C和L的值。 設負載阻抗 ，則電感平均電流為：電感電流的最大值： 電感電流的最小值：第5章DCDC變換技術應用電感電流不能突變，只能近似的線性上升和下降，電感量越大電流的變化越平滑；電感量越小電流的變化越陡峭。當電感量小到一定值時，在t=T時刻，電感L中儲藏的能量剛剛釋放完畢，這時 ，此時的電感量被稱為臨界電感，當儲能電感L的電感量小于臨界電感時，電感中電流就發(fā)生斷續(xù)現(xiàn)象。LC即為臨界電感值，式中R

14、L為負載電阻。第5章DCDC變換技術應用2）電感電流斷續(xù)工作方式（Discontinuous current mode）圖5-6b給出了電感電流斷續(xù)時的工作波形，它有三種工作狀態(tài)：Q導通，電感電流iL從零增長到 ；Q關斷，二極管D續(xù)流，iL從 降到零；Q和D均截止，在此期間iL保持為零，負載電流由輸出濾波電容供電。這三種工作狀態(tài)對應三種不同的電路結構，如圖5-2b、c、d所示。Q導通期間，電感電流從零開始增長，其增長量為Q截止后，電感電流從最大值線性下降，在 時刻下降到零，其減小量為：第5章DCDC變換技術應用電感電流增長量和電感電流減小量在穩(wěn)態(tài)時應相等：電感電流連續(xù)時， ，電感電流斷續(xù)時，

15、。變換器輸出電流等于電感電流平均值：上式表明，電感電流斷續(xù)時， 不僅與占空比有關，而且與負載電流有關。1offonOonOdttLVtLVVTtTtTttttVVoffononoffonondO1dOdoffonLLVVVfLttiTQTI1221112dOVV第5章DCDC變換技術應用Buck電路MATLAB仿真Continuouspowerguiv+-Voltage Measurement1v+-Voltage MeasurementSeries RLC BranchScopeRPulseGeneratornode 10gmdsMosfetDiodeDC Voltage Sourcei+-

16、Current Measurement3i+-Current Measurement2i+-Current Measurement1i+-Current MeasurementC第5章DCDC變換技術應用BUCKBUCK變換器設計步驟變換器設計步驟 選擇續(xù)流二極管D。續(xù)流二極管選用快恢復二極管，其額定工作電流和反向耐壓必須滿足電路要求，并留一定的余量。 選擇開關管工作頻率。最好工作頻率大于20KHZ，以避開音頻噪聲。工作頻率提高可以減小L、C，但開關損耗增大，因此效率減小。 開關管可選方案：MOSFET、IGBT、GTR。 占空比選擇。為保證當輸入電壓發(fā)生波動時，輸出電壓能夠穩(wěn)定，占空比一般選

17、0.7左右。 確定臨界電感。 ，電感選取一般為臨界電感的10倍。 確定電容。電容耐壓必須超過額定電壓；電容必須能夠傳送所需的電流有效值；電流有效值計算：電流波形為三角形，三角形高為 ，底寬為 ，因此電容電流有效值為： 根據(jù)紋波要求，確定電容容量。 確定連接導線。確定導線必須計算電流有效值（RMS）,電感電流有效值由下式給出： 由電流有效值確定導線截面積，由工作頻率確定穿透深度（當導線為圓銅導線時，穿透深度為： ），然后確定線徑和導線根數(shù)。2Li2TfRLLC2)1 (32LiI2232/LLRMSLiIIf1 .66第5章DCDC變換技術應用2 2、 BoostBoost電路電路 Boost電

18、路如圖5-7a所示，等效電路如圖5-7b所示，工作波形圖如圖5-8所示。它是一升壓斬波電路，同Buck變換器一樣，Boost變換器也有電感電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作方式，電感電流連續(xù)時，存在兩種開關狀態(tài)；電感電流斷續(xù)時，存在三種開關狀態(tài)。電路穩(wěn)定狀態(tài)下的工作分析如下：第5章DCDC變換技術應用123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:27-Jul-2000Sheet of File:D:licircuitlihong.ddbDrawn By:QDLCZVduciCioBoost電路圖iLQDLCZVduciCioiLQDLCZVduciCio

19、iLQDLCZVduciCioiLbQ導通Q關斷Q關斷時電感電流為零adc圖5-7 Boost電路及不同開關狀況下等效電路第5章DCDC變換技術應用iLILmaxILminIiiLILmaxILminILminILmaxiQiDiCucUCttttttttttttILmaxILmaxILmaxiCuca 電感連流連續(xù)b 電感電流斷續(xù)000000000000IitontoffTtonTtoff-IOImax-IOVGEVGE-IOImax-IO圖5-8 Boost電路各點工作波形第5章DCDC變換技術應用 1) 電感電流連續(xù)模式CCM（Continuous current mode） 開關狀態(tài)1

20、：Q導通 Q管導通，輸入電壓加到儲能電感L兩端，二極管D被反向截止，等效電路如圖5-7b所示，流過電感的電流： 開關狀態(tài)2：Q截止 Q管截止，二極管正向偏置而導通，等效電路如圖5-7c所示電源功率和儲存在L中的能量通過二極管D輸送給負載和濾波電容C。此時流過電感的電流為：LVtidtdiLVdtdidtdiLVdonLLdLLdTLVtLVidondopenedL )(LVVtidtdiLVVdtdidtdiLVVOdoffLLOdLLOdTLVVtLVVidOoffdOclosedL)1 ()(第5章DCDC變換技術應用顯然，只有Q管導通期間（內）儲能電感L增加的電流等于Q管截止期間（內）減

21、少的電流，這樣電路才能達到平衡，才能保證儲能電感中一直有能量，才能不斷地向負載提供能量和功率。解得：表明Boost DC-DC變換器是一個升壓電路，當占空比從零變到1時，輸出電壓從 變到任意大。設負載阻抗Z=RL，從能量守恒定律出發(fā)，輸出電流IO=VO/RL，電感平均電流即為輸入電流IL=Ii：dV1dOVVLdLddLdOLLOLdRVRVVRVVIRVIV222211第5章DCDC變換技術應用電感電流的最大值：電感電流的最小值：電感電流不能突變，只能近似的線性上升和下降，電感量越大電流的變化越平滑；電感量越小電流的變化越陡峭。當電感量小到一定值時，在t=T時刻，電感L中儲藏的能量剛剛釋放完

22、畢，這時 ，此時的電感量被稱為臨界電感，當儲能電感L的電感量小于臨界電感時，電感中電流就發(fā)生斷續(xù)現(xiàn)象。LTVRViIIdLdLLL2122maxLTVRVIIIdLdLLL2122min0minLI02122LTVRVdLdfRLLLC2)1 (2第5章DCDC變換技術應用濾波電容上的電壓等于輸出電壓，電容兩端的電壓變化量實際上就是輸出電壓的紋波電壓， 的波形如圖5-8a所示。若忽略負載電流脈動，則在導通期間電容泄放電荷量應等于在關斷期間電容充電電荷量，反映了電容峰-峰電壓脈動量：由此可知，降低紋波電壓，除與輸出電壓有關外，增大濾波電容C可以起到顯著效果，提高電力半導體器件的工作頻率也能收到同

23、樣的效果。CUTItIUCQOonOCCfRVCTICQULOOC第5章DCDC變換技術應用2）電感電流斷續(xù)工作方式（Discontinuous current mode）Boost變換器在電感電流斷續(xù)時有三種開關狀態(tài)：Q導通，電感電流從零增長到 ；Q關斷，二極管D續(xù)流，電感電流從 降到零；Q和D均截止，電感電流保持為零，負載由輸出濾波電容供電。這三種工作狀態(tài)的等效電路如圖5-7b、c、d所示。Q導通期間，電感電流從零開始增長，其增長量為：Q截止后，電感電流從 線性下降，并在時刻下降到零，即：maxLImaxLIondLopenedLtLVIimax)(maxLIoffontttmax()Od

24、LclosedLoffVViItL第5章DCDC變換技術應用式中 ，電感電流斷續(xù)時 若t=toff時電流恰好等于零，兩邊各自相加除以2得 即臨界電感電感電流臨界連續(xù)時的平均值 offoffondOtttVVTtoff1offdOLtLVVImaxmaxdLonVItLLfVIdLmaxLfVIIIdLiLG221max第5章DCDC變換技術應用Continuouspowerguiv+-Voltage Measurement1v+-Voltage MeasurementSeries RLC BranchScopeRPulseGeneratornode 10gmdsMosfetDiodeDC Vo

25、ltage Sourcei+-Current Measurement3i+-Current Measurement2i+-Current Measurement1i+-Current MeasurementC第5章DCDC變換技術應用3 3 、Buck-BoostBuck-Boost電路電路 圖5-9a 為Buck-Boost電路原理圖，它即能夠工作在Buck型，又能夠工作在Boost型。它的輸入電壓極性與輸出電壓極性相反，輸入為正時輸出為負，在Buck和Boost變換器中存在一個能量從電源流入負載的期間，而在Buck-Boost變換器中，能量首先儲存在電感中，然后再由電感向負載釋放能量。 第

26、5章DCDC變換技術應用123456ABCD654321DCBAT itleN um berR evisionSizeBD ate:13-A ug-2000Sheet of File:D :licircuitlihong.ddbD raw n B y:QDCZVduciCioBuck-Boost電路圖iLbQ導通Q關斷Q關斷時電感電流為零adcLiDiuLQDCZVducioiLLiDiuLQDCZVduciCioiLLiDiuLQDCZVduciCioiLLiDiuLCi圖5-9 Buck-Boost電路原理圖第5章DCDC變換技術應用 1、電感電流連續(xù)模式CCM（Continuous cu

27、rrent mode） 在電感電流連續(xù)條件下，工作于圖5-9b、c所示的兩種狀態(tài)。 狀態(tài)1：Q導通 Q管導通，二極管D反偏關斷，能量從輸入電源流入，并存儲在電感L中，L上的電壓上正下負，等于輸入電壓，此時負載電流由慮波電容C提供，等效電路如圖5-9b所示。 在ton期間內電感電流的增量為：dtdiLVLdLfVTLVtLViddondopenedL )(第5章DCDC變換技術應用 狀態(tài)2：Q關斷 在t=ton時刻，Q關斷，由于電感中電流不能突變，L上呈現(xiàn)的感應電勢,當該感應電勢超過輸出電壓VO時，二極管導通，電感L上存儲的能量通過D向負載和電容C釋放，補充了電容C在ton期間損失的能量，負載電

28、壓極性與輸入電壓極性相反，等效電路如圖5-9c所示，波形如圖5-10a所示。 電流按線性規(guī)律直線下降，電感電流的減少量為 顯然，電路平衡時，才能保證儲能電感L中一直有能量，才能不斷地向負載提供能量和功率。因此電流在開通和關斷期間變化相等，得輸出電壓平均值 改變占空比就能獲得所需的輸出電壓。dtdiLVLOLfVLVTtLViOOoffOclosedL)1)1 ()(dOVV1第5章DCDC變換技術應用當 時， ；當 時， ，為升壓型；當 時， ，為降壓型。這樣，就可以得到高于或低于輸入電壓的任何輸出電壓。在要求輸出電壓一定的情況下，容許輸入電壓有較大的變化都能夠工作。假設電路中所有的器件為理想

29、開關，即變換器無功率損耗，輸入功率等于輸出功率，負載阻抗 ：由于輸入平均電流與電感平均電流有以下關系5 . 0dOUU5 . 0dOUU5 . 0dOUULRZ LOdRVIV2LII 第5章DCDC變換技術應用因此有：電感電流的最大值： 電感電流的最小值：當電感電流的最小值為零時，電感為臨界電感：電容上的峰-峰脈動電壓求法同Boost電路一樣，可得：2222211LdLddLdOLLOLdRVRVVRVVIRVIVLTVRViIIdLdLLL2122maxLTVRVIIIdLdLLL2122minfRLLLTVRVLCdLd2102122OLOVCTRVQCfRVCRTVVLOLOO第5章D

30、CDC變換技術應用Q管截止時承受的反向電壓為：Q管開通時，加于二極管D上的反向電壓為OdOdDVVVVV1OdOdQVVVVV1第5章DCDC變換技術應用2）電感電流斷續(xù)工作方式（Discontinuous current mode）圖5-10b給出了電感電流斷續(xù)工作時的主要波形，此時Book-Boost變換器有三種開關狀態(tài)，Q導通，電感電流從零增長到最大值；Q關斷，二極管續(xù)流，電感電流從最大值降到零；Q和D均截止，電感電流保持為零，負載由輸出濾波電容供電。這三種工作狀態(tài)的等效電路如圖5-9b、c、d所示。Q導通期間，電感電流從零開始增長，其增長量為：Q截止后，電感電流線性下降，并在 時刻下降

31、到零，即：ondLopenedLtLVIimax)(offontttoffOLclosedLtLVIimax)(第5章DCDC變換技術應用因此有：式中 ，電感電流斷續(xù)時若t=toff時電流恰好等于零:兩邊各自相加后除以2得電感電流臨界連續(xù)時的平均值 offondOttVVTtoff1offOLtLVImaxmaxdLonVItLLfVIdLmaxLfVIIIdLiLG221max第5章DCDC變換技術應用BUCK-BOOST電路MATLAB仿真Continuouspowerguiv+-Voltage Measurement1v+-Voltage MeasurementSeries RLC Br

32、anchScopeRPulseGeneratornode 10gmdsMosfetDiodeDC Voltage Sourcei+-Current Measurement3i+-Current Measurement2i+-Current Measurement1i+-Current MeasurementC第5章DCDC變換技術應用4 4、 CukCuk電路電路由于Buck-Boost變換器的電感L在中間，其輸入和輸出電流的脈動都很大。針對這一缺點，美國加州理工大學的Slobdan Cuk教授提出了單管Cuk變換器，該變換器使用了兩個電感，一個在輸入端，一個在輸出端，從而減小了電流脈動。Cu

33、k變換器的電路形式如圖5-11a所示，在負載電流連續(xù)的條件下，工作波形圖如圖5-12a所示，其中L1、L2為儲能電感，Q為功率開關管，D為續(xù)流二極管，C1為傳輸能量的耦合電容，C2為濾波電容。Cuk變換器能夠提供一個反極性、不隔離的輸出電壓，輸出電壓可高于或低于輸入電壓，而且其輸入電流和輸出電流都是連續(xù)的、非脈動的，這些特點使Cuk變換器有著廣闊的應用前景。第5章DCDC變換技術應用123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:3-Sep-2000 Sheet of File:D:licircuitlihong.ddbDrawn By:QDL

34、C2ZVduciC2ioQ導通iL1bLCiC1121+-QDLC2ZVduciC2ioCuk電路圖iL1aLCiC1iD121+-QDLC2ZVduciC2ioQ關斷iL1cLCiD121+-QDLC2ZVducQ關斷時二極管電流為零dLC121+-圖5-11 Cuk變換器電路原理圖及等效電路第5章DCDC變換技術應用iL1IL1maxIL1minIiiL1IL2maxIL2miniL2iQ+iDvL1ttttttttttttIL1maxiL2iQ+iDa 電感連流連續(xù)b 電感電流斷續(xù)000000000000tontoffTtonTtoffVGEVGEiQIL1minVinVoVinVoIL

35、2maxIL2miniDVoVinVinVoIoIi+IoiQiDvL2圖5-12 CUK變換器工作波形第5章DCDC變換技術應用 模式1：Q導通 Q導通，L1儲能，C1電容上的電壓使D反偏置，電容通過負載Z和L2傳輸能量，負載獲得反極性電壓，L2、C2儲能。由電路可知，在這種電路結構中，Q管和二極管D是同步工作的，Q導通，D截止；Q截止，D導通。 L1的電流增量為： 從輸出回路來看，在ton期間，C1供電，L2儲能，若C1的足夠大，可忽略C1上的壓降，則L2上的電壓為 ，L2中的電流以 的速率線性上升，在ton期間，L2的電流增量為： OCVV121)(LVVOCTLVtLVidondL11

36、1)(11222( )COCOLonVVVVitTLL 第5章DCDC變換技術應用模式2：Q關斷 在toff期間，Q截止，D導通，電容C1被充電，L1通過C1和D向C1充電儲能，同時L2向負載釋放能量，在這種電路結構中，無論在ton期間還是在toff期間都從輸入向負載傳輸能量，只要電感L1、L2和電容C1足夠大，輸入輸出電流基本上是平滑的。在toff期間C1充電，在ton期間C1向負載放電，可見C1起著傳遞能量的作用。在toff期間，L1釋放能量，L1上的壓降 ，L1中的電流以 的速率線性下降，L1的電流減量為：1CdVV 11LVVCdoffCdLtLVVi111)(第5章DCDC變換技術應

37、用從輸出回路來看，在toff期間，由于D導通，L2釋放能量，則L2上的電壓為-VO，L2中的電流以 的速率線性下降，在toff期間，L2的電流減量為：在穩(wěn)定狀態(tài)下，電感L1電流變化量應相等 L2中電流變化量應相等 TLVtLViOoffOL)1 ()(2222LVO211212OConOCoffOVVtLVVtLV12111111doffondCoffCdondVttVVtLVVtLV第5章DCDC變換技術應用若C1足夠大，在導通、截止期間上的電壓可認為近似不變（只有很小的頂降），則有 假設電路中所有的器件為理想開關，即變換器無功率損耗，輸入功率等于輸出功率，負載阻抗Z=RL，輸入平均電流Ii

38、即為電感L1平均電流IL11dOVV222222111LdLddLdOLLOLdRVRVVRVVIRVIV第5章DCDC變換技術應用電感L1電流的最大值： 電感L1電流的最小值： 臨界電感： 輸出平均電流即電感L2的平均電流：L2電感電流的最大值：12211max1212LTVRViIIdLdLLL12211min1212LTVRViIIdLdLLLfRLLLTVRVLCdLd2121211122LOLORVII2fLRVLTVRViIILdOLOLLL2222max221112)1 (2第5章DCDC變換技術應用電感電流的最小值：臨界電感：下面來看電容C2的峰-峰脈動電壓。假設負載電流的脈動

39、量很小而可以忽略，即電感的峰-峰脈動電流即為電容充放電電流。fLRViIILdLLL222max221112LCLRfLLfLR212112222222CQVVCQCC8|22222TiTiQSLL22222288fCLVfCiCQVdLC第5章DCDC變換技術應用CUK電路MATLAB仿真Continuouspowerguiv+-Voltage Measurement3v+-Voltage Measurement2v+-Voltage Measurement1v+-Voltage MeasurementScopeRPulseGeneratornode 10gmdsMosfetL2L1Diod

40、eDC Voltage Sourcei+-Current Measurement3i+-Current Measurement2i+-Current Measurement1i+-Current MeasurementC2C1第5章DCDC變換技術應用返回第5章DCDC變換技術應用5.3 隔離的DC-DC變換器原理在實際應用中，有許多場合需要輸出電壓和輸入電壓隔離，或需要多路輸出，此時需要高頻變壓器來完成這些功能。 1、 單端DC-DC變換器原理及設計 上一節(jié)介紹的四種基本類型的變換器加上變壓器隔離后，可以引申出各種類型的單端變換器：Buck型引申為Forward型（單端正激）變換器；Boos

41、t型引申為Fly-back型（單端反激）變換器 。第5章DCDC變換技術應用1）Fly-back（單端反激）變換器原理 Fly-back（單端反激）變換器原理圖如圖5-13所示。在工作過程中，變壓器起了儲能電感的作用，實際上是耦合電感，用普通導磁材料作鐵芯時，鐵芯必須留有氣隙，保證在最大負載電流時鐵芯不會飽和。Fly-back（單端反激）變換器由于電路簡單，所用器件少，適于多路輸出場合應用。123456ABCD654321DCBATitleNumberR evisionSizeBDate:20-M ar-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 DISANTUDrawn B

42、y:VC CTQD1CRN1 N2ipisVO*圖5-13 Fly-back變換器原理第5章DCDC變換技術應用和BOOST變換器一樣，F(xiàn)ly-back（單端反激）變換器也有電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作方式，僅僅是連續(xù)和斷續(xù)的定義不同。BOOST變換器只有一個電感，F(xiàn)ly-back變換器是耦合電感，對原邊繞組的自感來講，它的電流不可能連續(xù)，因為功率晶體管斷開后電流必然為零，這時必然在次級繞組的自感中引起電流，故對Fly-back變換器來講，電流連續(xù)是指變壓器兩個繞組的合成安匝在一個開關周期中不為零，與此相反即為電流斷續(xù)。第5章DCDC變換技術應用開關狀態(tài)1：Q導通等效電路如圖5-14a所示，在時，功

43、率晶體管的門極被激勵而導通時，輸入電壓加到變壓器的初級繞組兩端，由于變壓器對應的極性，次級繞組下正上負，二極管截止，次級繞組中沒有電流流過，負載電流由濾波電容提供。此時只有變壓器原邊繞組工作，變壓器相當于一個電感，設繞組N1的電感量為L1，繞組N2的電感量為L2，則管導通期間流過初級繞組N1的電流為： 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Mar-2001Sheet of File:F:李宏電路圖DISANTUDrawn By:VINTQD1CRN1 N2VO*VINTQD1CRN1 N2VO*VINTQD1CRN1 N2VO*

44、abc圖5-14 Fly-back變換器不同開關狀態(tài)的等效電路圖1( )INpVittL第5章DCDC變換技術應用t=ton時，電流ip達到最大值ipmax t=ton時，功率晶體管Q截止，如圖2-14b所示，原邊繞組開路，次級繞組的電壓極性上正下負，二極管D導通，導通期間儲存在變壓器中的能量通過二極管向負載釋放，同時向電容充電。此時變壓器只有副邊繞組工作，Q管截止期間流過次級繞組的電流為：t=T時，副邊電流is達到最小值： 0minsIoffOsstLVII2maxmintLVItiOss2max)(max1INPonVItL第5章DCDC變換技術應用t=T時刻，Ismin=0表示導通期間儲

45、存的磁場能量剛好釋放完畢；Ismin0表示導通期間儲存的磁場能量還沒有釋放完；IsminW3，則去磁時間小于開通時間 即開關管的工作占空比 。 如果W1W3，Q管電壓大于2倍輸入電壓；W1W3，Q管電壓小于2倍輸入電壓。 為了充分提高占空比和減小Q兩端電壓，必須折衷選擇。一般選W1=W3，這時 ， ，而Q管電壓等于2倍輸入電壓。 由于單端正激變換器（Forword）變換器實際上是一個隔離的BUCK變換器，因此其輸入和輸出關系為： 主要波形見圖5-18所示。onrontTtonrontTt5 . 0Tton5 . 0TtonoffonrttT5 . 0maxTtonINOVWWV12第5章DCD

46、C變換技術應用VbeiLfiW3ttttt00000tontoffTuW1VININVWW31TriMiW1IO圖5-18 主要波形第5章DCDC變換技術應用Ansoft仿真第5章DCDC變換技術應用09.002.004.006.009.80m10.00m9.85m9.90m9.95m變壓器一次電流ip Lp1.I A-200.00m31.4010.0020.009.80m10.00m9.85m9.90m9.95m變壓器二次電流is -1.00 * ls.I A062.75m20.00m40.00m9.80m10.00m9.85m9.90m9.95m變壓器復位繞組電流iw3 Lp2.I A-9

47、45.00300.04-500.00-250.0009.80m10.00m9.85m9.90m9.95m變壓器一次繞組電壓 Lp1.V V-5.001.25k250.00500.00750.001.00k9.80m10.00m9.85m9.90m9.95m功率管ds電壓 MOS1.V V第5章DCDC變換技術應用 3) 3) 單端變換器的磁復位技術單端變換器的磁復位技術 使用單端隔離變壓器之后，變壓器磁芯如何在每個脈動工作磁通之后都能恢復到磁通起始值，這是產生的新問題，稱為去磁復位問題。因為線圈通過的是單向脈動激磁電流，如果沒有每個周期都作用的去磁環(huán)節(jié)，剩磁通的累加可能導致出現(xiàn)飽和。這時開關導

48、通時電流很大；斷開時，過電壓很高，導致開關器件的損壞。 剩余磁通實質是磁芯中仍殘存有能量，如何使此能量轉移到別處，就是磁芯復位的任務。具體的磁芯復位線路可以分成兩種： 一種是把鐵芯殘存能量自然的轉移，在為了復位所加的電子元件上消耗掉，或者把殘存能量反饋到輸入端或輸出端；另一種是通過外加能量的方法強迫鐵芯的磁狀態(tài)復位。具體使用那種方法，可視功率的大小、所使用的磁芯磁滯特性而定。最典型的兩種磁芯磁滯特性曲線如圖5-19所示。第5章DCDC變換技術應用HBBr-Br0HBBr-Br0圖5-19 典型的兩種磁芯磁滯特性曲線第5章DCDC變換技術應用 在磁場強度H為零時，磁感應強度的多少是由鐵芯材料決定

49、。圖5-19a的剩余磁感應強度Br比圖5-19b小，圖5-19a一般是鐵氧體、鐵粉磁芯和非晶合金磁芯，圖5-19b一般為無氣隙的晶粒取向鎳鐵合金鐵芯。 對于剩余磁感應強度Br較小的鐵芯，一般使用轉移損耗法。轉移損耗法有線路簡單、可靠性高的特點。對于剩余磁感應強度Br較高的鐵芯，一般使用強迫復位法。強迫復位法線路較為復雜。 簡單的損耗法磁芯復位電路是由一只穩(wěn)壓管和二極管組成，穩(wěn)壓管和二極管與變壓器原邊繞組或和變壓器副邊繞組并聯(lián)，磁芯中殘存能量由于穩(wěn)壓管反向擊穿導通而損耗，它具有兩種功能，既可以限制功率開關管過電壓又可以消除磁芯殘存能量。在實際應用中由于變壓器從原邊到副邊的漏電感（寄生電感）存在，

50、這個電感中也有存儲的能量，因此一般把穩(wěn)壓管和二極管與變壓器原邊繞組并聯(lián)連結。這種電路只適用于小功率變換器中，如圖5-20所示。 第5章DCDC變換技術應用123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:1-Apr-2001 Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:T1DZD1QD2D3C1L1VVINOC2*圖5-20將變壓器鐵芯的儲能反饋到變換器的輸出端 第5章DCDC變換技術應用大功率去磁電路一般使用將變壓器鐵芯的儲能反饋到輸入電源或變換器輸出端。使用這種復位方法，變壓器鐵芯的儲能幾乎沒有損耗（或者說

51、損耗較?。┳儞Q器變換效率是很高的。圖5-17的復位繞組就是將變壓器鐵芯的儲能反饋到輸入電源，圖5-20將變壓器鐵芯的儲能反饋到變換器的輸出端。在圖5-20中，穩(wěn)壓管接在變壓器的原邊，如上所述，它有兩種功能，由于消耗在穩(wěn)壓管的能量很小，在這里主要是起箝位作用，鐵芯的儲能通過連結在變壓器的副邊二極管D3反饋到變換器輸出端，一般將D3與電容C連結，如果將D3與高阻抗的電感連結會在變壓器的原邊繞組和副邊繞組出現(xiàn)一個很高的電壓尖峰脈沖。第5章DCDC變換技術應用123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:1-Apr-2001 Sheet of Fil

52、e:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:T1DZD1QD2D3C1L1VVINOC2*DZD1QD2D3L1VVINOC2*NNs -NrrT圖5-21 恒流源復位第5章DCDC變換技術應用當變壓器鐵芯中的剩余磁感應強度Br較大時使用圖5-21進行復位。由于在變換器輸出端均有濾波電感，可以把它看作恒流源，因此使用恒流源和附加繞組Nr復位。在變壓器副邊中增加一個中間抽頭形成繞組Nr，通過D3與電感連結即可。在單端變換器中，引起開關引力高的主要原因是開關管關斷時漏感引起的開關管集電極和發(fā)射極之間電壓突然升高，抑制開關管應力的方法有兩個，一是減小漏電感，二是耗散過電壓的能量，或者是能

53、量反饋到電源中。減小漏電感主要靠工藝，耗散過電壓的能量要依靠與電感并聯(lián)的R、C緩沖器，或與開關并聯(lián)的R、C緩沖器。能量反饋回電源要依靠附加的線圈和定向二極管。第5章DCDC變換技術應用2 2、推挽式、推挽式DC-DCDC-DC變換器（變換器（PUSH-PULLPUSH-PULL）推挽式（PUSH-PULL）DC-DC變換器由推挽逆變器和輸出整流濾波電路構成，因此推挽DC-DC變換器是屬于DC-AC-DC變換器。變壓器兩個原邊繞組匝數(shù)相等為W11=W12=W1,副邊繞組匝數(shù)為W2。1)推挽逆變器Q1和Q2 180o互補導通工作圖5-23a、b是和 180o互補導通工作時的波形。當Q1導通時，電源

54、電壓Vin加在W11上，當Q2導通時，電源電壓Vin加在W12上，因此繞組W2中的電勢為一個寬度為180o的交變方波，幅值 。Q1關斷時，它的集電極和發(fā)射極之間電壓為同理，Q2關斷時，它的集電極和發(fā)射極之間電壓為inVWW12inCEQVV21inCEQVV22第5章DCDC變換技術應用123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:5-Apr-2001 Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDDTrVin1212W11W12W2vo圖5-22推挽式逆變器主電路第5章DCDC變換技術應用Q1Q2vo

55、iRdttttinVWW12LdinRVWW122TTa 1800方波，電阻負載Q1Q2voiRdttttinVWW122TTb 1800方波，電感負載T43T4TQ1Q2voiRdttttinVWW122TTc 小于1800方波，電阻負載ontLdinRVWW12Q1Q2voiLttttinVWW122TTc 小于1800方波，電感負載ont圖5-23 推挽式（PUSH-PULL）逆變器主要波形第5章DCDC變換技術應用輸出端接電阻負載時，負載電流波形和電壓波形相同；輸出端接電感負載時，若電感量為L，則電感電流iL波形為三角波，電流以VO/L斜率上升，也以VO/L斜率下降。電流最大值為 ，f

56、s為逆變器開關頻率。（ ）期間，Q1導通，輸出電壓VO為正，iL為正，電源能量向負載傳送；（ ）期間， iL為正，VO變負，負載向電源回饋能量，此時D2續(xù)流；（ ）期間，Q2導通，iL變負， VO為負，電源能量向負載傳送；（ ）期間，iL為負，VO為正，負載向電源回饋能量，此時D1續(xù)流。顯然，純電阻負載時只有開關管中有電流流過，感性負載時開關管和二極管中都有電流流過。sOOLfVTLV222,4TT43,2TTTT,434, 0T第5章DCDC變換技術應用Q1和Q2 導通小于180o工作如果Q1和Q2導通時間減少，則輸出電壓為寬度小于180o的方波，若輸出端接電阻負載時，負載電流波形和電壓波形

57、相同；輸出端接電感負載時，若電感量為L，則電感電流iL波形為三角波，Q1 導通，電流上升；Q1關斷，電感電流iL經D2續(xù)流，電流以斜率下降。D2續(xù)流，使Vin加在W12上，在W2繞組上，電壓極性反向，如圖中陰影部分所示。如果Q1和Q2 導通時間分別大于T/4，則在感性負載時，輸出電壓VO為180o的交變方波，不再受Q1和Q2 導通時間的影響。第5章DCDC變換技術應用Ansoft仿真推挽逆變器180度工作方式第5章DCDC變換技術應用-5.00600.00200.00400.009.90m10.00m9.92m9.94m9.96m9.98m功率管mos1的ds電壓 MOS1.V V電阻負載，占

58、空比50%，匝比1：1：1第5章DCDC變換技術應用電阻負載，占空比20%，匝比1：1：1第5章DCDC變換技術應用感性負載，占空比20%，匝比1：1：1第5章DCDC變換技術應用感性負載，占空比30%，匝比1：1：1第5章DCDC變換技術應用2 2）推挽）推挽DC-DCDC-DC變換器變換器圖5-24是推挽式DC-DC變換器的主電路，整流二極管DR1和DR2的左側是逆變電路，右側是整流、濾波電路。輸出整流電路有三種基本類型：全波整流電路、全橋整流電路和倍流整流電路。全波整流電路適用于輸出電壓較低的場合，可以減小整流電路中的通態(tài)損耗，全橋整流電路適用于輸出電壓較高的場合，可以降低整流管的電壓額

59、定值。圖中為全波整流電路，Lf是輸出濾波電感，Cf是輸出濾波電容。推挽直流變換器可看成是兩個Forword變換器的組合，這兩個Forword變換器的開關管輪流導通，故變壓器鐵芯是交變磁化的。全波整流電路變壓器副邊有兩個繞組，他們的匝數(shù)相等，圖中還接有續(xù)流管DFW，但也可不接。 第5章DCDC變換技術應用圖5-24推挽式DC-DC變換器主電路第5章DCDC變換技術應用 圖5-25是推挽直流變換器的主要波形。在Q1或Q2導通期間，變壓器副邊繞組中感應電勢為vw2，電壓脈沖寬度決定于Q1或Q2的導通時間ton，幅值為 ，為一交流電。該電壓經整流管整成一個直流方波電壓。濾波電感電流在電流連續(xù)時為三角波

60、，圖中給出了流過DR1、DR2和DFW的電流波形。 設Q1或Q2的導通時間為ton，則 電感電流連續(xù)時輸出電壓與輸入電壓之間的關系為： 可以看出，若輸入是恒定的沒有紋波，則輸出同樣也是恒定的沒有紋波。對于多路輸出的開關電源來說，這一點是特別重要的。這也是為什么把降低輸出電壓紋波的重點和精力都放在降低輸入電壓紋波的原因所在。inVWW12第5章DCDC變換技術應用tQ1Q2tinVWW12)(2221WWvvtinVWW12DFWvtLfitt1DRi2DRitQ1Q2tinVWW12)(2221WWvvtinVWW12DFWvtLfittt1DRi2DRiDFWiabtQ1Q2tinVWW12