第3章 直流-直流變換電路

本章主要內(nèi)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庫克電路3.5

Sepic和Zeta斬波電路第3章直流-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(Buck)

降壓斬波電路也稱為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。3.1Buck電路-等效原理圖3.1Buck電路-電流連續(xù)模式3.1Buck電路-電流臨界斷續(xù)模式當3.1Buck電路-電流斷續(xù)模式3.1Buck電路-電流斷續(xù)模式■例3-1在圖3-1所示的降壓斬波電路中，已知Ud=200V，R=10Ω，L值極大，Ts=50s，ton=20s，計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。若存在負載Em=20V，求輸出電流平均值Io。

解：由于L值極大，故負載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為輸出電流平均值為3.1Buck電路-例題若存在負載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=27±10%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)保證整個工作范圍電感電流連續(xù)時的電感值。解:(1)輸入電壓的變化值為3.1Buck電路-例題占空比變化范圍為■例3-2在圖2-1所示的降壓斬波電路中，已知Ud=27±10%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)保證整個工作范圍電感電流連續(xù)時的電感值。解:(2)因為IL=Io,當負載最小，占空比最小時，所需要的電感越大，當Uo不變時，由式(2-5)得3.1Buck電路-例題3.2升壓斬波電路（Boost）升壓斬波電路也稱為Boost電路。升壓斬波電路的輸出電壓總是高于輸入電壓。升壓斬波電路的一個典型應(yīng)用是用作單項功率因數(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。3.2Boost電路-等效原理圖3.2Boost電路-電流連續(xù)模式因為3.2Boost電路-電流臨界斷續(xù)模式當3.2Boost電路-電流臨界斷續(xù)模式當3.2Boost電路-電流斷續(xù)模式3.2Boost電路-電流斷續(xù)模式■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TS=40s，ton=25s時，計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。輸出電流平均值為：解：輸出電壓平均值為：3.2Boost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VT導(dǎo)通時，輸入端經(jīng)VT和電感構(gòu)成電流通道，提供能量給電感，二級管反向偏置，電感電流增大，負載電流由電容器上存儲的能量提供。當VT斷開時，電感中的自感電勢使二級管導(dǎo)通，存儲在電感中的能量經(jīng)二級管傳遞給電容和輸出負載。電感電流減小，電路輸出電壓是負的。3.3Buck-Boost等效原理圖+-+3.3Buck-Boost-電流連續(xù)模式當占空比D大于0.5時，輸出電壓高于輸入電壓；當占空比D小于0.5時，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。

因3.3Buck-Boost-電流斷續(xù)模式得當當3.3Buck-Boost電流臨界斷續(xù)模式3.3Buck-Boost-電流斷續(xù)模式■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:3.3Buck-Boost–例題若工作于連續(xù)電流模式則帶入2-37，可得D=0.4時電流臨界連續(xù)的負載電流IoB■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:3.3Buck-Boost–例題因輸出電流Io=1A<IoB,所以電路工作于電流斷續(xù)模式，由式2-39和式2-46得3.4庫克電路(Cuk)3.4庫克電路(Cuk)3.4庫克電路(Cuk)3.4庫克電路(Cuk)3.4庫克電路(Cuk)-VT開通電路的工作狀態(tài)是，VT開通時L1充電儲能，當VT關(guān)斷時電感向電容C1充電，形成C1上電壓極性左正右負；同時，VT開通時C1向電容C充電并向負載R放電形成下正上負的電壓極性，同時對L2充電，由于C1上的電壓作用，二極管VD關(guān)斷。

3.4庫克電路(Cuk)-VT關(guān)斷VT關(guān)斷時，電感L1向電容C1轉(zhuǎn)移能量，電感L2續(xù)流導(dǎo)致VD開通，L2向電容C充電并向負載R放電。3.4Cuk電路-基本輸入輸出關(guān)系

(2-59)(2-61)(2-62)T3.5Sepic斬波電路◆工作原理

?V導(dǎo)通時，E—L1—VT回路和C1—VT—L2回路同時導(dǎo)電，L1和L2貯能。

?V關(guān)斷時，E—L1—C1—VD—負載回路及L2—VD—負載回路同時導(dǎo)電，此階段E和L1既向負載供電，同時也向C1充電（C1貯存的能量在VT處于通態(tài)時向L2轉(zhuǎn)移）。3.5Sepic斬波電路◆輸入輸出關(guān)系

(2-70)T3.5Zeta斬波電路◆工作原理

?VT導(dǎo)通時，電源E經(jīng)開關(guān)V向電感L1貯能。

?VT關(guān)斷時，L1－VD－C1構(gòu)成振蕩回路，

L1的能量轉(zhuǎn)移至C1，能量全部轉(zhuǎn)移至C1上之后，VD關(guān)斷，C1經(jīng)L2向負載供電。T3.5Zeta斬波電路

◆輸入輸出關(guān)系為

(2-71)■兩種電路具有相同的輸入輸出關(guān)系，Sepic電路中，電源電流連續(xù)但負載電流斷續(xù)，有利于輸入濾波，反之，Zeta電路的電源電流斷續(xù)而負載電流連續(xù)；兩種電路輸出電壓為正極性的。T3.6復(fù)合型DC-DC斬波電路3.6.1

二象限D(zhuǎn)C-DC斬波電路3.6.2

四象限D(zhuǎn)C-DC斬波電路3.6.3多相多重DC-DC斬波電路3.6

二象限D(zhuǎn)C-DC斬波電路(1)(1)輸出電流io>0且VT1導(dǎo)通過程。直流側(cè)電源通過VT1向負載供電，輸出電壓uo=ui，此時輸出電流io增加，負載電感和負載電動勢儲能也增加。由于io>0且uo>0，因此電路工作在第一象限。3.6

二象限D(zhuǎn)C-DC斬波電路(2)(2)輸出電流io>0且VT1關(guān)斷過程。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VT2承受反壓而不能導(dǎo)通，因此輸出電流減小，負載電感儲能和負載電動勢儲能也減小。由于io>0且uo=0，因此電路工作在第一象限。3.6

二象限D(zhuǎn)C-DC斬波電路(3)(3)輸出電流io<0且VT2導(dǎo)通過程。負載電動勢通過VT2向負載電阻和電感供電，輸出電壓uo=0，此時輸出電流io反向增加，負載電感儲能也增加。由于io<0且uo=0，因此電路工作在第二象限。3.6

二象限D(zhuǎn)C-DC斬波電路(4)(4)輸出電流io<0且VT2關(guān)斷過程。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，負載電感儲能和負載電動勢儲能也減小。由于io<0且uo=ui，因此電路工作在第二象限。3.6

四象限D(zhuǎn)C-DC斬波電路(1)(1)當VT4保持導(dǎo)通時，利用VT2、VT1進行斬波控制，則構(gòu)成了一組電流可逆的二象限D(zhuǎn)C-DC斬波電路，此時uAB>=0斬波電路運行在一二象限；3.6

四象限D(zhuǎn)C-DC斬波電路(2)(2)當VT2保持導(dǎo)通時，利用VT3、VT4進行斬波控制，則構(gòu)成了另一組電流可逆的二象限D(zhuǎn)C-DC斬波電路，此時uAB<=0

，斬波電路運行在三、四象限。

3.6

多相多重DC-DC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-直流變流電路3.7.1

正激電路3.7.2

反激電路3.7.3半橋式降壓電路3.7.4全橋式降壓電路3.7.5推挽電路3.7.6全波整流和全橋整流

3.7正激電路◆輸出電壓

?輸出濾波電感電流連續(xù)時

3.7正激電路-磁芯復(fù)位(1)開關(guān)管VT導(dǎo)通時，U2=N2*US/N1,電源能量經(jīng)變壓器傳遞到負載側(cè)。VT截止時變壓器原邊電流經(jīng)D3、DW續(xù)流，磁場能量主要消耗在穩(wěn)壓管DW上。VT承受的最高電壓為US+UDW。3.7正激電路-磁芯復(fù)位(2)VT導(dǎo)通時，電源能量經(jīng)變壓器傳遞到負載側(cè)。VT截止時，由于電感電流不能突變，線圈N1會產(chǎn)生下正上負的感應(yīng)電勢e1。同時線圈N3也會產(chǎn)生感應(yīng)電勢e3=N3*e1/N1，當e3=US時，D3導(dǎo)通。磁場儲能轉(zhuǎn)移到電源US中，此時VT上承受的最高電壓為US+N1*US/N33.7反激電路◆輸出電壓

?輸出濾波電感電流連續(xù)時

3.7反激電路◆輸出電壓

?輸出濾波電感電流連續(xù)時

N2N1N1N23.7半橋式隔離的降壓電路（1）VT1開通，VT2關(guān)斷時，電源及C1上儲能經(jīng)變壓器傳遞到副邊，此時電源經(jīng)VT1、變壓器向C2充電，C2儲能增加。同時D4

導(dǎo)通。N2N1N23.7半橋式隔離的降壓電路（2）當兩個開關(guān)都關(guān)斷時，變壓器繞組N1中的電流為零，D3和D4都處于通態(tài)，各分擔一半的電流。N2N1N23.7半橋式隔離的降壓電路（3）電容C1、C2上電壓為US/2，當VT1關(guān)斷，VT2導(dǎo)通時，電源及電容C2上儲能傳到副邊。電源經(jīng)變壓器、VT2向C1充電，C1儲能增加。同時D3導(dǎo)通。N2N1N2◆輸出電壓

?輸出濾波電感電流連續(xù)時

3.7全橋式隔離的降壓電路（1）

?VT1與VT4開通后，D1處于通態(tài)，電感L電流逐漸上升。?VT2與VT3開通后D2處于通態(tài)，電感L的電流也上升。

?當4個開關(guān)都關(guān)斷時，D1和D2都處于通態(tài)，各分擔一半的電感電流，電感L的電流逐漸下降，S1和S2斷態(tài)時承受峰值電壓均為Us。3.7全橋式隔離的降壓電路（2）◆輸出電壓

?輸出濾波電感電流連續(xù)時

3.7推挽電路(1)■推挽電路

◆工作過程

?推挽電路中開關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通，在繞組N1和N’1兩端分別形成相位相反的交流電壓。

?S1導(dǎo)通時，VD1處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升，S2導(dǎo)通時，二極管VD2處于通態(tài)，電感L電流也逐漸上升。?當兩個開關(guān)都關(guān)斷時，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔一半的電流，S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為2倍Ui。

3.7推挽電路(2)?如果S1和S2同時導(dǎo)通，變壓器一次側(cè)繞組短路，每個開關(guān)占空比不能超過50%，要留有死區(qū)。

◆輸出電壓

?當濾波電感L的電流連續(xù)時

(2-78)電路優(yōu)點缺點功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域正激電路較簡單，成本低，可靠性高，驅(qū)動電路簡單變壓器單向激磁，利用率低幾百W~幾kW各種中、小功率電源反激電路非常簡單，成本很低，可靠性高，驅(qū)動電路簡單難以達到較大的功率，變壓器單向激磁，利用率低幾W~幾十W小功率電子設(shè)備、計算機設(shè)備、消費電子設(shè)備電源。全橋變壓器雙向勵磁，容易達到大功率結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，有直通問題，可靠性低，需要復(fù)雜的多組隔離驅(qū)動電路幾百W~幾百kW大功率工業(yè)用電源、焊接電源、電解電源等半橋變壓器雙向勵磁，沒有變壓器偏磁問題