第三章DC-DC變換器1

1、電電 力力 電電 子子 技技 術(shù)術(shù) Power Electronic Technology第三章第三章 DC-DC變換器變換器如圖所示，在變壓器的一次繞組施加交流電壓u1時，鐵芯內(nèi)磁通就變鐵芯內(nèi)磁通就變化化，在二次繞組上就產(chǎn)生感應電壓u2。如果設一、二次繞組匝數(shù)為w1、w2時，在二次繞組中產(chǎn)生的電壓可用下式表達：u1u2w1w2)w/w(uu)dt/d(wu)dt/d(wu12122211如何改變直流電壓？如何改變直流電壓？第三章第三章 DC-DC變換器變換器如下圖所示，通過串聯(lián)可變電阻改變直流電壓。R，則uL； R ，則uL 。在串聯(lián)電阻中也流過與負載電阻電流相同的電流，將產(chǎn)生大的損耗。利用

2、上述原理，使用開關(guān)器件，將直流電壓轉(zhuǎn)換成脈沖的形式，把這些脈沖組合在一起就得到了輸出電壓。無需加入電阻，降低損耗由于輸出電壓由一系列脈沖組成，波形看上去就好像被周期性的斬切了一樣。所以稱為直流斬波器直流斬波器。第三章第三章 DC-DC變換器變換器vDC-DC變換器（變換器（DC Converter）將一定幅值的直流電直流電變換成另一幅值的直流電直流電的電力電子裝置。主要應用于直流電壓變換（升壓、降壓、升降壓等）、開關(guān)穩(wěn)壓電源、直流電機驅(qū)動等場合。第三章第三章 DC-DC變換器變換器理論上，按其變換功能可將理論上，按其變換功能可將DC-DC變換器分為以下變換器分為以下4種基本類型：種基本類型：1

3、）降壓型DC-DC變換器，簡稱Buck變換器；2）升壓型DC-DC變換器，簡稱Boost變換器；3）升-降壓型DC-DC變換器，簡稱BoostBuck變換器；4）降-升壓型DC-DC變換器，簡稱BuckBoost變換器；工程上，依據(jù)輸入、輸出間是否有電氣隔離：工程上，依據(jù)輸入、輸出間是否有電氣隔離：有變壓器隔離型DC-DC變換器；無變壓器隔離型DC-DC變換器一般所說幾種基本類型的一般所說幾種基本類型的DC-DC變換器均指無變壓器隔離的變換器均指無變壓器隔離的3.1 3.1 DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)工程上，一般將以開關(guān)管按一定控制規(guī)律調(diào)制且無變壓器且無變壓器隔離的DC-DC變

4、換器或輸入輸出頻率相同的AC-AC變換器統(tǒng)稱為斬波器斬波器（Chopper）直流斬波器（DC Chopper）交流斬波器（AC Chopper）這種開關(guān)管按一定調(diào)制規(guī)律通斷的控制為斬波控制斬波控制1）脈沖寬度調(diào)制（脈沖寬度調(diào)制（PWM） 這種控制方式是指開關(guān)管調(diào)制信號的周期周期固定不變固定不變，而開關(guān)管導通信號的寬度可調(diào)寬度可調(diào)2）脈沖頻率調(diào)制（脈沖頻率調(diào)制（PFM） 這種控制方式是指開關(guān)管導通信號的寬度寬度固定不變固定不變，而開關(guān)管調(diào)制信號的頻率可調(diào)頻率可調(diào)3.1 3.1 DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 直流斬波器直流斬波器實際上是一類基本的DC-DC變換器，按其直流輸入輸出相關(guān)

5、量的大小關(guān)系（升、降、升-降、降-升），這種基本的DC-DC變換器可分為： buck型型 DC-DC變換器變換器 boost 型型 DC-DC變換器變換器 buck-boost型型 DC-DC變換器變換器 boost-buck型型 DC-DC變換器變換器3.1.1 Buck型型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)DC-DC變換器主要完成變換器主要完成電壓變換電壓變換或或電流變換電流變換功能，那么如何完成這功能，那么如何完成這一變換呢？一變換呢？輸出電壓等于電源電壓輸出電壓等于零U0輸出電壓的平均值U0Ui實現(xiàn)了Buck型DC-DC變換器的基本功能3.1.1 Buck型型DC-DC變換器的

6、基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)輸出電壓、電流脈動的抑制輸出電壓、電流脈動的抑制電壓型電壓型DC-DC變換器變換器電流型電流型DC-DC變換器變換器U0I0如何抑制電流、電壓的脈動？如何抑制電流、電壓的脈動？3.1.1 Buck型型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 為抑制輸出電壓脈動抑制輸出電壓脈動，可在Buck型DC-DC變換器的基本原理電路中加入輸出濾波元件輸出濾波元件（如：電容C）L為抑制輸出電流脈動輸出電流脈動，可在圖3-1b所示的基本原理電路中加入輸出濾波元件輸出濾波元件（如：電感L）如圖3-2b所示 3.1.1 Buck型型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)加入濾波元件后

7、可能出現(xiàn)的問題 3.1.1 Buck型型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)U0VT導通時兩不相等的電壓源短路I0VT關(guān)斷時兩不相等的電流源串聯(lián)產(chǎn)生較大的電流應力產(chǎn)生較大的電壓應力過電流損壞過電壓損壞L3.1.1 Buck型型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 在下圖的buck型DC-DC電壓變換電路中為了限制開關(guān)管限制開關(guān)管VTVT導通時的電流應力導通時的電流應力，則將緩沖電感緩沖電感L L串入串入開關(guān)管VT的支路中3.1.1 Buck型型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 為串入電感建立續(xù)流回路雖然抑制了開通時的電流應力，但增加了關(guān)斷時的電壓應力結(jié)構(gòu)完善的具有輸出濾波

8、和緩沖環(huán)節(jié)的Buck型DC-DC電壓變換電路3.1.1 Buck型型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 在下圖所示的buck型DC-DC電流變換電路中，為了限制限制開關(guān)管開關(guān)管VT關(guān)斷時的電壓應力關(guān)斷時的電壓應力，則將緩沖電容緩沖電容C并入并入開關(guān)管VT的兩端 C3.1.1 Buck型型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 克服VT導通時電容兩端電壓突變問題所產(chǎn)生的較大電流應力結(jié)構(gòu)完善的具有輸出濾波和緩沖環(huán)節(jié)的Buck型DC-DC電流變換電路3.1.1 Buck型型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu) 緩沖電路或者緩沖單元緩沖電路或者緩沖單元（常設置在變換器中間）能量緩沖作

9、用濾波元件（常設置在變換器的端部）濾波作用3.1.2 Boost型型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)忽略開關(guān)管忽略開關(guān)管VT、濾波元件、緩沖元件的能量損耗，則輸入輸、濾波元件、緩沖元件的能量損耗，則輸入輸出功率相等出功率相等UiIi=U0I0對于對于Buck電壓變換，電壓變換，UiU0，則，則IiI0，即在完成，即在完成Buck電壓變換的同時完成了電壓變換的同時完成了Boost電流變換電流變換3.1.2 Boost型型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)忽略開關(guān)管忽略開關(guān)管VT、濾波元件、緩沖元件的能量損耗，則輸入輸、濾波元件、緩沖元件的能量損耗，則輸入輸出功率相等出功率相等U

10、iIi=U0I0對于對于Buck電流變換，電流變換，IiI0，則，則UiU0，即在完成，即在完成Buck電流變換的同時完成了電流變換的同時完成了Boost電壓變換電壓變換3.1.2 Boost型型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)對于對于Buck電壓變換，電壓變換，UiU0，則，則IiI0，即在完成，即在完成Buck電壓變換電壓變換的同時完成了的同時完成了Boost電流變換電流變換開關(guān)頻率開關(guān)頻率足夠高足夠高Boost型型DC-DC電流變換器電流變換器考慮為電流變換器對于對于Buck電流變換，電流變換，IiI0，則，則UiU0，即在完成，即在完成Buck電流變電流變換的同時完成了換的同

11、時完成了Boost電壓變換電壓變換3.1.2 Boost型型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)開關(guān)頻率開關(guān)頻率足夠高足夠高Boost型型DC-DC電壓變換器電壓變換器考慮為電流變換器3.1.2 Boost型型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)Buck型型電壓變電壓變換換Buck型型電流變電流變換換Boost型型電流變電流變換換Boost型型電壓變電壓變換換對偶對偶對偶對偶如何構(gòu)造如何構(gòu)造Boost-Buck變換器？變換器？3.1.3 Boost-Buck型型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)BoostBuck輸入輸入輸出輸出Boost-Buck型型DC-DC變換器變換器

12、3.1.3 Boost-Buck型型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)Boost-Buck型型DC-DC變換器的演化變換器的演化3.1.3 Boost-Buck型型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)Boost-Buck型型DC-DC變換器的演化變換器的演化VT1、VT2同步3.1.3 Boost-Buck型型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)Boost-Buck型型DC-DC變換器的演化變換器的演化3.1.3 Boost-Buck型型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)Boost-Buck型型DC-DC變換器的演化變換器的演化3.1.3 Boost-Buck型型D

13、C-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)Boost-Buck型型DC-DC變換器的演化變換器的演化公共參公共參考點考點Boost-Buck型型DC-DC電壓源變換器電壓源變換器輸入電壓為反極性1976年美國加利福尼亞理工學院年美國加利福尼亞理工學院Slobodan Cuk提出提出3.1.3 Boost-Buck型型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)為了克服為了克服Cuk變換器反極性的不足，相繼出現(xiàn)了同極性的變換器反極性的不足，相繼出現(xiàn)了同極性的Boost-Buck變換器，即變換器，即Sepic變換器和變換器和Zeta變換器。變換器。Sepic變換器Zeta變換器Sepic變換器和Zet

14、a變換器與Cuk變換器具有相同的穩(wěn)態(tài)電壓增益相同的穩(wěn)態(tài)電壓增益 M=D/(1-D)Sepic變換器的輸入輸出電流連續(xù)輸入輸出電流連續(xù)(較易濾波)Zeta變換器的輸入電流則斷續(xù)輸入電流則斷續(xù)3.1.4 Buck-Boost型型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)0offontTTtUEo fonftEtBuck-Boost型型DC-DC變換器的結(jié)構(gòu)演化變換器的結(jié)構(gòu)演化反極性斬波電路升降壓DC-DC變換電路3.1.4 Buck-Boost型型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)3.1.4 Buck-Boost型型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)變換器的基本結(jié)構(gòu)對比boost-buck型電壓變換器和buck-boost型電壓變換器電路可以看出：u 兩者的輸