第四章直流-直流變換器課件

1、第四章 DC-DC變換電路第五節(jié) Cuk斬波電路第四節(jié) 升降壓斬波電路第三節(jié) 升壓斬波電路第二節(jié) 降壓斬波電路第一節(jié) 直流斬波電路的工作原理內(nèi)容提要與目的要求 第六節(jié) 降壓式變換器SIMULINK仿真1內(nèi)容提要與目的要求了解直流斬波器的工作原理及控制方式。掌握直流斬波器的基本電路、波形分析及電路參數(shù)計算。重點：掌握各種斬波電路的波形分析及工作原理。 2第一節(jié) 直流斬波電路的工作原理一、直流斬波的概念及分類二、基本斬波電路的工作原理3一、直流斬波的概念及分類概念：將一個固定電壓的直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{電壓的直流電稱之為DCDC變換，而實現(xiàn)這種功能的電路稱之為直流斬波電路(DC Choppe

2、r )或稱直流一直流變換器（DCDC Converter）。優(yōu)點：直流斬波器具有效率高、體積小、重量輕、成本低等。應用：用于直流牽引變速拖動中，如無軌電車、地鐵列車、電動汽車的控制；用于直流開關電源和電池供電的設備中，如通信電源、電子筆記本，計算器等。4分類：包括6種基本斬波電路：降壓斬波電路（Buck Chopper）升壓斬波電路（Boost Chopper）升降壓斬波電路（Boost-Buck Chopper）Cuk斬波電路Sepic斬波電路Zeta斬波電路其中前兩種是最基本的電路，本章將對這兩種電路作重點介紹，并在此基礎上介紹升降壓斬波電路和Cuk斬波電路。5二、基本斬波電路的工作原理最

3、基本的降壓斬波電路，以阻性負載為例。當開關（S）合上（即電力電子器件導通）時，直流電壓加到負載R上，并持續(xù)ton時間。當開關（S）斷開（即電力電子器件關斷）時，負載上的電壓為零，并持續(xù)toff時間，Tton+toff為斬波電路的工作周期，其輸出波形如圖4-1所示。 6由波形圖可得輸出電壓平均值為 ton為S閉合（導通）時間；toff為S斷開（關斷）時間；Tton+toff為斬波電路的工作周期；為導通占空比，簡稱占空比或導通比，ton/T 當從0變到1時，輸出電壓平均值從零變到Ud，輸入電流的平均值將是輸出電流平均值的倍?？梢钥闯觯敵龅截撦d的電壓平均值UO與E及有關，可以通過改變來調節(jié)UO。其

4、輸出電壓有效值為 （4-1）（4-2）7若認為斬波器（S）是無損的，則輸入功率應與輸出功率相等，即 （4-3）從直流電源側看的等效電阻為 （4-4）8三種控制方式據(jù)對輸出電壓平均值進行調制的方式不同，斬波電路可以有三種控制方式。保持開關周期T不變，調節(jié)開關導通時間ton，稱為脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，縮寫為PWM）或脈沖調寬型。保持開關導通時間ton不變，改變開關周期T，稱為頻率調制或調頻型ton和T都可調，使占空比改變，稱為混合型。其中脈寬調制方式應用最多，因為采用頻率調制方式容易產(chǎn)生諧波干擾，而且濾波器設計也比較困難。9圖4-2 帶感性負載斬波電路當斬波器

5、帶感性負載時，應采用圖4-2所示電路。圖4-1和圖4-2都是降壓斬波電路。 10第二節(jié) 降壓斬波電路一、降壓斬波電路工作原理二、主要數(shù)量關系11一、降壓斬波電路工作原理降壓斬波電路（Buck Chopper）的原理圖如圖4-3（a）所示。該電路使用一個全控型器件V，圖中所用為IGBT，也可以是其它器件。若采用晶閘管，則需設置使晶閘管關斷的輔助電路。圖中VD為續(xù)流二極管，其作用是在V關斷時給負載中的電感電流提供通道。作為降壓電路，其輸出電壓平均值Uo小于輸入電壓Ud。通過電感中的電流可以連續(xù)，也可以不連續(xù)，取決于開關頻率、濾波電感L和負載電流Io的大小。121.電感電流連續(xù)在電路的輸入端加電壓后

6、，需經(jīng)過一段比較短的時間，才進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。暫態(tài)過程十分復雜，下面只分析穩(wěn)態(tài)過程。圖4-3（b）給出了該電路的兩種不同的電路工作模式，一個周期中其工作過程按時間了分成兩個時間段，分別對應兩個模式。動畫13(1)工作模式1（0tt1=T）設t=0時刻，V管被激勵導通，VD管要承受反壓，故電流IVD迅速下降，而V管電流迅速上升。此過程開關時間很短，可認為瞬間完成。此時電路工作于模式1，如圖4-3（b）所示。在V管接通的t1時間內(nèi)，V管流過的電流就是電感電流，若假定這期間Uo不變，則電感L中的電流直線上升，能量儲存于電感中。則有 （4-5） （4-6） 動畫14（2）工作模式2（t1=TtT）設t

7、 =t1時刻，控制V關斷，電感電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，此時VD導通，電路工作于模式2，如圖4-3（b）所示。假設此時電感電流io按直線規(guī)律下降，電感釋放能量。則有 （4-7）（4-8）動畫15至一個周期T結束，再驅動V導通，重復上一個周期的過程。為了使電流連續(xù)且脈動小通常使串聯(lián)的電感L值較大，電路工作在穩(wěn)態(tài)時可使負載電流在一個周期的初值和終值相等。電流連續(xù)時波形如圖4-3（c）所示。 動畫162.電感電流斷續(xù)若電路中L值較小或負載很輕或開關頻率很低時，會發(fā)生電感電流iL在一個周期結束前就下降到零的情況。這樣，每個周期開始時，iL必然從零開始上升。這種情況就是不連續(xù)導電模式。在電流斷續(xù)情況下，一個

8、周期分三個時間段。其三個時段的等效電路如圖4-4所示。電流不連續(xù)時工作波形如圖4-5所示。 動畫17二、主要數(shù)量關系(連續(xù) )1.輸出電壓和輸入電壓的關系由式（4-5）可得電感上的峰-峰脈動電流為由式（4-7）又可得 兩者相等，故有將t1=T，t2=（1-）T代入上式，既整理得 (4-11) (4-10) (4-9) (4-8) 182.輸出電流與輸入電流的關系假設斬波器是無損耗的，則有Pi=P0其輸入和輸出功率分別為從而有等式兩邊約去Ud，則有 （4-12） 193.電感的紋波電流由式（4-9）和式（4-10）可得因此開關時間T可表示為 （4-13）由式（4-13）可得電感紋波電流表達式為

9、（4-14）或 （4-15）204.輸出紋波電壓因為iL=iC+io，若假定負載電流io的脈動電流很小而可忽略，則iL=iC。因為電容電流一周期的平均值為零，那么在t1/2+ t2/2=T/2時間里，電容充電或放電的電荷量為 （4-16）因此，電容上電壓峰-峰脈動值為 （4-17）將式（4-14）或（4-15）代入式（4-17）得 （4-18）或 （4-19）根據(jù)I,UC和f以及其他要求（輸入和輸出），依據(jù)上述公式，可大概的確定L和C值。21從波形圖可以看出，要使電感電流不出現(xiàn)斷續(xù)，電流峰-峰脈動值I必須大于輸出電流的一半。令I=Io/2，可的電感電流連續(xù)式電感量臨界值 （4-20）顯然，當輸

10、入輸出電壓確定時，負載電流越大，維持電流連續(xù)所需電感量就越大，開關頻率越高，電感量也可取得小。當發(fā)生電感電流不連續(xù)時，輸出電壓的公式將與上面分析的結果大不相同。 22第三節(jié) 升壓斬波電路1一、升壓斬波電路的工作原理2二、主要數(shù)量關系23應用場合舉例：在有些便攜式設備中，如筆記本電腦，內(nèi)部不同元器件的工作電壓可有多種，而供電電池電壓只能是一種規(guī)格，這就需要直流電壓變換，包括升壓變換，以滿足各元器件的工作電壓要求。 24一、升壓斬波電路的工作原理升壓斬波電路（Boost Chopper）的原理圖及工作波形如圖4-6所示。電路中V為全控型器件電力MOSFET，也可以是其他器件。在電感電流連續(xù)時，該電

11、路也有兩種模式或者說每個周期有兩個時段，如圖4-6（b）所示。其工作波形如圖4-6（c）所示。本節(jié)將只討論電感電流連續(xù)式的工作波形和數(shù)量關系。 動畫251、工作模式1（0tt1=T）設t=0時刻，導通V。當V處于通態(tài)時，VD關斷，電源Ud向電感充電，電感中的電流按線形規(guī)律從I1上升到I2，同時電容C上的電壓向負載供電，電容上電壓uC減小，電容上電流iC=-IO（假設負載上的電流基本恒定），電路模式及工作波形如圖（4-6）所示。因此 （4-21）或 （4-22）動畫262、工作模式2（t1=TtT）設t=t1時刻，關斷V。當V處于斷態(tài)時，VD導通，Ud和L共同向電容C充電，并向負載R提供能量。若

12、假定在此期間的電感電流仍按直線規(guī)律從I2下降到I1，則電容上電壓uC增加，電容上電流iC=iL-IO，電路模式及工作波形如圖（4-6）所示。則有 （4-23）或 （4-24） 動畫27二、主要數(shù)量關系(連續(xù) )1.輸出電壓和輸入電壓的關系由式（4-21）和（4-23）可得 將t1=T，t2=（1-）T代入上式，既整理得 （4-26）上式中的（1-）1，輸出電壓高于電源電壓，故稱電路為升壓斬波電路，也稱為Boost變換器（Boost Converter）。 28當從0趨近于1時，輸出電壓從Ud變到任意大。（1-）稱為升壓比，調節(jié)其大小，可改變輸出電壓U0的大小。將升壓比的倒數(shù)記作，則+=1 因此

13、，式（4-26）可表示為 (4-27)292.輸出電流與輸入電流的關系假設斬波器是無損耗的，則有Pi=P0其輸入和輸出功率分別為從而有等式兩邊約去Ud，則有 （4-28）303.電感的紋波電流由式（4-22）和式（4-24）可得開關時間T可表示 （4-29）由式（4-29）可得電感紋波電流表達式為 （4-30）或 （4-31）314.輸出紋波電壓若假定負載電流io的脈動電流很小而可忽略，那么在0，t1期間，電容上泄放的電荷量，反映了電容上電壓峰-峰脈動值，即 （4-32）由式（4-26）可得 （4-33）將式（4-33）代入式（4-32）得 （4-34）或 （4-35）由式（4-26）可知，升

14、壓斬波電路的輸出電壓U0大于電源電壓E，其主要有兩個原因：一是L儲能后具有使電壓泵升的作用，二是電容C值較大可將輸出電壓保持住。 32第四節(jié) 升降壓斬波電路一、升降壓斬波電路工作原理二、主要數(shù)量關系33一、升降壓斬波電路工作原理升降壓斬波電路（Boost-Buck Chopper）主要用于：特殊的可調直流電源，這種電源具有一個相對于輸入電壓公共端為負極性的輸出電壓，此輸出電壓可以高于或低于輸入電壓 升降壓斬波電路原理圖如圖4-7（a）所示。在電感電流連續(xù)時，升降壓斬波電路工作于如圖4-7（b）所示的兩種模式，同樣指每個周期由兩個時段。 341、工作模式1（0tt1=T）設t=0時刻，導通V。當

15、V處于通態(tài)時，VD反向偏置而關斷，電源Ud經(jīng)V向電感L供電使其貯存能量，電感中的電流按線形規(guī)律從I1上升到I2，同時電容C上的電壓向負載供電，電容上電壓uC減小，電容上電流iC=-IO（假設負載上的電流基本恒定），電路模式及工作波形如圖（4-7）所示。因此 （4-36）或 （4-37）352、工作模式2（t1=TtT）設t=t1時刻，關斷V。當V處于斷態(tài)時，VD導通， L向電容C充電，并向負載R提供能量。因為此時電感電壓等于負載電壓，而極性為負，電感電流仍按直線規(guī)律從I2下降到I1，則電容上電壓uC增加，電容上電流iC=iL-IO，電路模式及工作波形如圖（4-7）所示。則有 （4-38）或 （

16、4-39）由上述分析可知，負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，這種電路也稱作反極性斬波電路。36二、主要數(shù)量關系 （連續(xù) ）1.輸出電壓和輸入電壓的關系由式（4-36）和（4-38）可得 （4-40）將t1=T，t2=（1-）T代入上式，既整理得 （4-41）上式可以看出，當0.5時，輸出電壓高于輸入電壓。所以此電路是一個升降壓電路，也稱為Boost-Buck變換器（Boost-Buck Converter）。 372.輸出電流與輸入電流的關系假設斬波器是無損耗的，則有Pi=P0其輸入和輸出功率分別為從而有等式兩邊約去Ud，則有 （4-42）383.電感的紋波電流由式（4-37）和式（

17、4-39）可得開關時間T可表示 （4-43）由式（4-43）可得電感紋波電流表達式為 （4-44）或 （4-45）394.輸出紋波電壓若假定負載電流io的脈動電流很小而可忽略，那么在0，t1期間，電容上泄放的電荷量，反映了電容上電壓峰-峰脈動值，即 （4-46）由式（4-26）可得 （4-47）將式（4-47）代入式（4-46）得 （4-48）或 （4-49）40第五節(jié) Cuk斬波電路一、Cuk斬波電路工作原理二、主要數(shù)量關系Cuk41一、Cuk斬波電路工作原理Cuk電路也是一種升降壓混合電路，其輸出電壓極性與輸入電壓極性相反，電路如圖4-8所示。電路的穩(wěn)定工作可按圖4-8（b）所式的兩種模式

18、進行分析，其工作波形如圖4-8（c）所示。 421、工作模式1（0tt1=T）設t=0時刻，導通V。電路模式及工作波形如圖（4-8）所示。當V處于通態(tài)時，VD反向偏置而關斷，此時輸入電壓加在電感L1兩端，電感儲能，其電流線性增長（從IL11到IL12），即有 （4-50）或 （4-51）同時，在此期間，電容C1上的電壓使VD管反偏置，并且通過負載和電感L2釋放能量，負載獲得反極性電壓。有電路可知，在這種電路結構中，V管和二極管VD是同步工作的，即V管導通，VD截止；V管截止，VD則導通。 432、工作模式2（t1=TtT）設t=t1時刻，關斷V。當V處于斷態(tài)時，VD導通，電路模式及工作波形如圖

19、（4-8）所示。 L1釋放能量，向電容C1充電，電容兩端平均電壓大于輸入電壓，所以電感L1電流iL1下降，假設仍按直線規(guī)律下降（從IL12下降到IL11），則有 （4-52）或 （4-53）其中，UC1為電容C1上的平均電壓值。44下面分析電感L2中電流的變化情況，假定電感L2中電流的變化也是按線性規(guī)律進行的，而且連續(xù)，則在0，T期間有 (4-54)或 （4-55）在T，T期間有 （4-56） （4-57） 45二、主要數(shù)量關系（連續(xù)）1、輸出電壓和輸入電壓的關系考慮式（4-50）和式（4-52），則有 （4-58）將t1=T，t2=（1-）T代入上式，既整理 （4-59）由式（4-54）和式

20、（4-56）可得 （4-60）46將t1=T，t2=（1-）T代入上式，既整理得 （4-61）令式（4-59）等于式（4-61），則得 (4-62)式（4-62）的結果與Buck-Boost電路的是一樣的。472、輸出電流與輸入電流的關系按上節(jié)分析可得 （4-63）483.兩個電感的紋波電流由式（4-51）和式（4-53）可得開關時間T可表示為 （4-64）由式（4-64）可得電感L1紋波電流表達式為 （4-65）或 （4-66）49由式（4-55）和式（4-57）可得開關時間T可表示為 （4-67）由式（4-67）可得電感L2紋波電流表達式為 （4-68）或 （4-69） 504.電容的峰-

21、峰脈動電壓當V管關斷時，對電容C1的充電電流平均值為IC1=I，故電容C1上電壓峰-峰脈動值為 （4-70）將t1=T，t2=（1-）T代入上式，既整理得 （4-71）或 （4-72）51若假定負載電流io的脈動可以忽略，即iL2=iC2，那么在T/2期間，通過C2的充電電流平均值為IC2=I2/4，故有 （4-73）將式（4-69）代入上式得 （4-74）Cuk電路是借助電容來傳輸能量的，而Buck-Boost電路是借助電感來傳輸能量的。當V導通時，兩個電感的電流都要通過它，因此通過V管的峰值電流比較大。因為傳輸能量是通過C1，所以電容C1中的脈動電流也比較大。52第六節(jié) 降壓式變換器SIMULINK仿真降壓式變換器的電路原理圖如圖4-9所示。工作時，可能出現(xiàn)的三種拓撲如圖4-9(a)、(b) 和(c)所示。根據(jù)圖4-9所示的工作拓撲，我們可以很容易得出圖4-10所示的降壓式變換器模型。53電感電流過零以后，由于不能夠變成負值，所以使用了一個Switch模板如圖4-11所示。Switch模板設置的參數(shù)只有一個Threshold(閾值)，當控制端2的值大于或等于Threshold時，輸入端1與輸出端連通，否則輸入端3與輸出端連通。這樣，在建立降壓式變換器模型時，由于電感電流過零后將保持