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第四章DC/DC变换技术,4.1非隔离DC/DC变换电路,4.1.1降压（Buck）型电路,4.1.2升压（Boost）型电路,4.1.3升降压（Buck-Boost）型电路,4.1.4库克（Cuk）型电路,4.1.5Zeta型电路,4.1.6Spice型电路,4.2隔离DC/DC变换电路,4.2.1正激（Forward）电路,4.2.2反激（Flyback）电路,4.2.3推挽（Push-Pull）电路,4.2.4半桥（Half-bridge）电路,4.2.5全桥（Full-bridge）电路,4.3DC/DC变换电路之间的关系,第四章DC/DC变换技术,第四章DC/DC变换技术,将一个固定的直流电压变换成另一个固定或可调的直流电压称为直流－直流（DC/DC）变换技术。与之对应的电路称为DC/DC变换电路。按照输入与输出间是否有电气隔离，可分为不带隔离变压器的非隔离DC/DC变换电路;带隔离变压器的隔离DC/DC变换电路;本章将介绍这两类DC/DC变换电路的电路结构、工作原理及主要参数关系等。,非隔离DC/DC变换电路也称为直流斩波电路。根据电路结构的不同，可分为降压（Buck）型电路升压（Boost）型电路升降压（Buck－Boost）型电路库克（Cuk）型电路Zeta型电路Spice型电路其中降压（Buck）型电路和升压（Boost）型电路是最基本的非隔离DC/DC变换电路。其余4种是由这两种基本电路派生而来的。,4.1非隔离DC/DC变换电路,基本控制方式①保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，即脉冲宽度调制（PWM）方式；②保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，即脉冲频率调制PFM方式；③T和ton都可调，即混合调制方式。,4.1.1降压（Buck）型电路,基本斩波器的工作原理,降压（Buck）型电路是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离DC/DC变换电路。它由功率开关器件S、续流二极管VD、输出滤波电感L和输出滤波电容C构成，负载为电阻R。,在实际电路中，开关S常采用全控型电力电子器件，如GTR,MOSFET,IGBT等。,图4.1降压型电路,4.1.1降压（Buck）型电路,为简化分析，假定DC/DC变换电路是理想电路，理想条件是①开关S和二极管VD导通和关断时间为零，且通态压降为零，断态漏电流为零；②在一个开关周期中，输入电压Ui保持不变；输出电压有很小的纹波，但可认为输出直流电压平均值Uo保持不变；③电感和电容均为无损耗的理想储能元件；且电路线路阻抗为零。,4.1.1降压（Buck）型电路,在稳态工作过程中，Buck型电路工作模式滤波电感电流连续模式（ContinuousCurrentMode－CCM）滤波电感电流断续模式（DiscontinuousCurrentMode－DCM）两种工作模式。,4.1.1降压（Buck）型电路,1．电感电流连续模式Buck型电路在一个开关周期内经历2个开关状态，即开关S导通和开关S关断。,,图4.2降压型电路电流连续时的开关状态,4.1.1降压（Buck）型电路,1工作原理①t0t1时段在t0时刻，开关S受激励导通，Ui通过S加到VD、L、C上，VD因承受反向电压而截止。,,,,,,4.1.1降压（Buck）型电路,,,,,1工作原理①t0t1时段这一时段，加在滤波电感上的电压差使电感电流线性上升，有,,,4.1.1降压（Buck）型电路,1工作原理①t0t1时段这一时段，加在滤波电感上的电压差使电感电流线性上升，有当tt1时，iL从最小值ILmin线性上升到最大值ILmax，iL的增加量为,,,,式中tont1-t0Dton/T,,,4.1.1降压（Buck）型电路,在t2时刻，iL从最大值ILmax线性减小到最小值ILmin,iL的减小量为,1工作原理②t1t2时段在t1时刻，S关断，电感电流通过VD继续流通。这一时段，加在L两端的电压为-U0，iL线性减小。,,,4.1.1降压（Buck）型电路,C放电,C充电,S和VD轮流工作，iLiSiVD稳态时，输出电流IoIL,,,图4.3降压型电路的主要电压、电流波形,4.1.1降压（Buck）型电路,2主要参数关系①输出电压与输入电压关系ton期间电感电流的增加量等于toff期间电感电流的减小量，即,表明Buck型电路的输出电压平均值与占空比成正比，由于0≦D≦1，故为降压型电路，并且与输入电压极性相同。,图4.3降压型电路的主要电压、电流波形,4.1.1降压（Buck）型电路,,,4.1.1降压（Buck）型电路,由电感电流波形可知，电感电流的最大值和最小值为,根据“稳态条件下，电容电流在一个开关周期内平均值为零”的基本原理，Buck型电路的电感电流的平均值就是输出电流平均值，即,由,有,②电流关系Buck型电路的输入功率和输出功率相等，即,开关S的最大电流与电感电流最大值相等。二极管VD的最大电流与电感电流最大值相等。开关和二极管截止时，所承受的电压都是电路输入电压Ui。,4.1.1降压（Buck）型电路,图4.3降压型电路的主要电压、电流波形,开关S的最大电流与电感电流最大值相等。二极管VD的最大电流与电感电流最大值相等。开关和二极管截止时，所承受的电压都是电路输入电压Ui。设计Buck型电路时，可按以上各电流公式及开关器件所承受的电压值选用开关器件和二极管。,4.1.1降压（Buck）型电路,③输出电压脉动iLIo，C充电，滤波电容C一直处于周期性充放电状态。C∞，Uo恒定。一个周期内充电电荷为则输出脉动电压为增加开关频率、加大滤波电感和滤波电容都可以减小输出脉动电压。,图4.3降压型电路的主要电压、电流波形,4.1.1降压（Buck）型电路,C放电,C充电,④电感电流连续的临界条件由图可以看出，要使iL连续，输出电流必须大于的脉动值的一半。,,4.1.1降压（Buck）型电路,电感值较小或负载较轻或开关频率较低时，Buck型电路容易发生电感电流断续。,当ILmin0时，，iL连续与断续的临界状态。,判断电感电流是否连续的临界条件,整理得,2．电感电流断续模式当电感值较小或负载较轻或开关频率较低时，可能发生电感电流在一个开关周期结束前就下降到零的情况。在一个开关周期内经历开关导通、开关关断和电感电流断续3个开关状态,4.1.1降压（Buck）型电路,1工作原理①t0t1时段S导通，VD截止，电感电流线性上升。有当t1时，电感电流iL从0上升到最大值iLmax，iL的增加量为,（4-12）,,4.1.1降压（Buck）型电路,,②t1t2时段S关断，VD导通。iL线性减小。当t2时，电感电流从ILmax线性减小到零。设则电感电流的减小量为,,,,4.1.1降压（Buck）型电路,,③t2t3时段S、VD均关断。电感电流保持为零，电感电压也为零，负载由输出滤波电容供电。,,4.1.1降压（Buck）型电路,,4.1.1降压（Buck）型电路,（2）输出电压与输入电压关系在ton期间电感电流的增加量等于toff期间电感电流的减小量，即得电路输出电流平均值就是电感电流的平均值，根据iL波形，得,（4-14）,（4-15）,,,4.1.1降压（Buck）型电路,（2）输出电压与输入电压关系在ton期间电感电流的增加量等于toff期间电感电流的减小量，即得电路输出电流平均值就是电感电流的平均值，根据iL波形，得,（4-14）,（4-15）,,,,（4-12）,,整理得,,4.1.1降压（Buck）型电路,整理得求解式（4-17），略去负根得其中,,,,,（4-17）,可见，电流断续时，输出电压不仅与占空比，而且还与电感、负载电阻以及开关周期有关。,4.1.1降压（Buck）型电路,4.1.2升压（Boost）型电路,4.1.2升压（Boost）型电路输出电压高于输入电压的单管非隔离DC/DC变换电路。电路元件和Buck型电路完全相同，仅电路拓扑不同。,Boost型电路的电感在输入侧，称之为升压电感。开关仍采用PWM控制方式。稳态工作时，也有电感电流连续和断续两种工作模式。,1．电感电流连续模式1工作原理在一个开关周期内经历开关导通、关断2个状态。S导通期间，L储能，负载靠输出电容的储能维持工作。S关断期间，输入直流电源和L同时向负载供电，并给电容充电。,图4.8升压型电路电流连续时的开关状态,4.1.2升压（Boost）型电路,①t0t1时段S导通，VD截止，负载由输出滤波电容供电。Ui全部加到L上，L电流线性上升。,当tt1时，iL从ILmin线性上升到ILmax，iL的增加量为,（4-19）,,,图4.9升压型电路电流连续时的主要电压、电流波形,4.1.2升压（Boost）型电路,,②t1t2时段S关断，VD导通输入能量和L的储能向负载和输出滤波电容转移，电容充电。,加在L上的电压为，,4.1.2升压（Boost）型电路,故L电流线性减小。iL从ILmax线性减小到ILmin，iL的减小量为,（4-20）,,,4.1.2升压（Boost）型电路,图4.9升压型电路电流连续时的主要电压、电流波形,输入电流IiILILmaxILmin/2S和VD轮流工作，iLiSiVDC的平均电流IC0，故IVDIO,4.1.2升压（Boost）型电路,2主要参关系①输出电压与输入电压关系由电感电流的增加量等于电感电流的减小量。,,因0≦D≦1，输出电压平均值高于输入电压，且极性相同。避免D过于接近1，U0→∞，以免造成电路损坏。,可得,即,,图4.9升压型电路电流连续时的主要电压、电流波形,②电流关系电路的输入功率和输出功率相等，即输入电流平均值和输出电流平均值关系为流过VD的电流平均值等于输出电流平均值，即流过开关的电流平均值为,图4.9升压型电路电流连续时的主要电压、电流波形,4.1.2升压（Boost）型电路,4.1.2升压（Boost）型电路,②电流关系电感电流的变化量，即输入电流的变化量为流过S和VD的电流最大值与电感电流最大值ILmax相等为开关S和二极管VD截止时所承受的电压均为输出电压；设计Boost型电路时，可根据上述各电流，电压值选用开关S和二极管VD。,,③输出电压脉动可近似地由下式确定,,4.1.2升压（Boost）型电路,4.1.2升压（Boost）型电路,④电感电流连续的临界条件,,电感电流连续的条件为，ILmin≥0可得整理得,图4.9升压型电路电流连续时的主要电压、电流波形,判断电感电流是否连续的临界条件,2．电感电流断续模式在电感电流断续模式下，Boost电路在一个开关周期内经历开关导通、开关关断和电感电流断续3个开关状态。,4.1.2升压（Boost）型电路,图4.11升压型电路电流断续时的开关状态,4.1.2升压（Boost）型电路,1工作原理①t0t1时段S导通，VD截止负载由C供电。L电流线性上升。当t1时，从0线性上升到最大值，电流的增加量为,,（4-31）,,图4.12升压型电路电流断续时的主要电压电流波形,,②t1t2时段S关断，VD导通电感电流线性减小。当t2时，电感电流从ILmax线性减小到0。设,iL的减小量为,图4.12升压型电路电流断续时的主要电压电流波形,（4-32）,,,,4.1.2升压（Boost）型电路,③t2t3时段S、VD均关断电感电流保持为0，电感电压也为0，负载由输出滤波电容供电。,图4.12升压型电路电流断续时的主要电压电流波形,,,,4.1.2升压（Boost）型电路,2输出电压与输入电压关系电感电流断续时，在ton期间电感电流的增加量等于toff期间电流的减小量可得二极管VD的电流平均值为,（4-33）,即,4.1.2升压（Boost）型电路,稳态时，电路输出电流平均值Io等于二极管VD的电流平均值IVD，即从式（4-33）解出的D表达式，同式（4-31）表达式一起代入式（4-35）并整理得求解式（4-36），略去负根得,（4-35）,（4-36）,,同样，电流断续时，输出电压也与D、R、L和T有关。,其中,,,4.1.2升压（Boost）型电路,4.1.3升降压（Buck-Boost）型电路,4.1.3升降压（Buck-Boost）型电路输出电压即可低于也可高于输入电压的DC/DC变换电路。所用的电路元件和Buck或Boost型电路相同，仅电路拓扑不同。,输出电压的极性和输入电压相反。开关采用PWM控制方式。电路也有电感电流连续和断续两种工作模式。,图4.13升降压型电路,1．工作原理当电感电流连续时，电路在一个开关周期内经历开关导通、开关关断2个开关状态。,4.1.3升降压（Buck-Boost）型电路,图4.14升降压型电路电流连续时的开关状态,4.1.3升降压（Buck-Boost）型电路,①t0t1时段S导通VD截止负载由输出滤波电容供电。电感电流线性上升。当tt1时，iL从ILmin线性上升到ILmax，iL的增加量为,,（4-38）,,,图4.15升降压型电路电流连续时主要电压、电流波形,4.1.3升降压（Buck-Boost）型电路,②t1t2时段S关断，VD导通L的储能通过VD向负载和输出滤波电容转移，电容充电。电感上的电压为，电感电流线性减小，减小量为,,（4-39）,,图4.15升降压型电路电流连续时主要电压、电流波形,4.1.3升降压（Buck-Boost）型电路,,S导通期间L存储能量，C放电供给负载。S关断期间L释放能量，给C充电，向负载供电。从L储能和放能以及C充放电情况看，该电路更接近升压型电路。,2．输入与输出电压、电流关系电路在ton期间电感电流的增加量等于toff期间电流的减小量，即代入上述关系中可得可知，当,4.1.3升降压（Buck-Boost）型电路,降压,升压,因此Buck-Boost型电路称为升降压型电路，但输出电压与输入电压极性相反。,,,,电路的输入输出功率相等，即则输入电流平均值和输出电流平均值关系为S导通时加在VD上的电压和VD导通时加在S上的电压均为,4.1.3升降压（Buck-Boost）型电路,4.1.4库克（Cuk）型电路,Buck-Boost型电路，因电感在中间，输入和输出电流脉动都大。Cuk型电路在输入端和输出端均有电感，有效的减小了输入和输出电流的脉动。,电路有两个电感，输入电感L1和输出电感L2。增加一个电容C1。电路的输出电压和输入电压极性相反。输出电压可低于也可高于输入电压。,图4.16Cuk型电路,4.1.4库克（Cuk）型电路,1.工作原理当输入电感和输出电感电流都连续时；电路在一个开关周期内经历S导通、S关断2个开关状态。电容C1容量很大，电路稳态工作时，电容C1的电压保持恒定。,图4.17Cuk型电路电流连续时的开关状态,4.1.4库克（Cuk）型电路,①t0t1时段S导通VD截止电路分为左右两个回路。左回路中，输入电压全部加到电感上L1。电感电流增加量为,4.1.4库克（Cuk）型电路,,,①t0t1时段S导通VD截止右回路中，C1经负载和电感L2放电，电感电流也线性上升，电感L2也储存磁能。电感电流增加量,4.1.4库克（Cuk）型电路,,②t1t2时段S关断VD导通以VD为界分为两个回路。左回路，Ui和L1串接给电容C1充电，电感L1在的储能向电容C1转移。电感电流下降,,图4.18Cuk型电路电流连续时主要电压、电流波形,,4.1.4库克（Cuk）型电路,,,②t1t2时段S关断VD导通右回路中，电感L2在t0t1时段储存电能向负载供电，电感电流也下降,图4.18Cuk型电路电流连续时主要电压、电流波形,,,Cuk型电路中，在一个开关周期中，输入能量需要经过三次变换才到负载。第一次是S导通，电感L1储能；第二次是S关断，电感L1储能向电容C1转移，电感L2储能向负载转移；第三次是S导通，电容C1储能向负载、电感L2、电容C2转移。,4.1.4库克（Cuk）型电路,4.1.4库克（Cuk）型电路,图4.18Cuk型电路电流连续时主要电压、电流波形,2．输入与输出电压、电流关系Cuk型电路稳态工作时，开关导通期间电感L1和L2电流增长量，分别等于开关关断期间电感L1和L2的电流减小量，即求解该方程组可得,4.1.4库克（Cuk）型电路,,,,Cuk型电路的，可得输入电流平均值和输出电流平均值关系为,4.1.4库克（Cuk）型电路,,,4.1.5Zeta型电路,4.1.5Zeta型电路Zeta型电路和Cuk型电路相似，也有两个电感，一个能量存储和传输用的电容C1。不同的是Zeta型电路的输出电压极性和输入电压极性相同。,图4.16Cuk型电路,图4.19Zeta型电路,4.1.5Zeta型电路,1．工作原理当电感L1和电感L2电流都连续时，Zeta型电路在一个开关周期内经历开关导通、开关关断2个开关状态。电容C1容量很大，电路稳态工作时，电容C1的电压保持恒定。,图4.20Zeta型电路电连续时开关状态,4.1.5Zeta型电路,①t0t1时段S导通，VD截止。输入电压全部加到电感上L1，电感电流线性上升，输入电能变为磁能储存在电感L1中。电感L1电流增加量,,图4.21Zeta型电路电流连续时的主要电压、电流波形,4.1.5Zeta型电路,①t0t1时段S导通，VD截止。输入电压和电容C1的电压作用于电感L2和负载电感L2电流增加量,,图4.21Zeta型电路电流连续时的主要电压、电流波形,4.1.5Zeta型电路,②t1t2时段S关断，VD导通以VD为界分为左右两个回路。左回路，电感串接给电容C1充电，电感在t0t1时段的储能向电容C1转移。电感电流下降,,图4.21Zeta型电路电流连续时的主要电压、电流波形,,4.1.5Zeta型电路,②t1t2时段S关断，VD导通右回路由电感L2、VD和电容C2构成，电感的储能向电容和负载转移，电感L2电流下降,,,图4.21Zeta型电路电流连续时的主要电压、电流波形,,4.1.5Zeta型电路,,图4.21Zeta型电路电流连续时的主要电压、电流波形,2．输入与输出电压、电流关系Zeta型电路稳态工作时，开关导通期间电感L1和L2电流增长量,分别等于开关关断期间电感L1和L2的电流减小量，即求解该方程组可得,4.1.5Zeta型电路,,,Zeta电路的输出电压可低于、等于或高于输入电压，与输入电压极性相同,Zeta型电路的，可得输入电流平均值和输出电流平均值关系为,4.1.5Zeta型电路,,,4.1.6Spice型电路,与Zeta型电路相比，Spice型电路是将Zeta型电路的开关和电感L1的位置对调，将电感L2和二极管的位置对调。Spice型电路是电感输入，类似于Boost电路，输出电路类似于Buck-Boost电路，但为正极性输出，即输出电压与输入电压极性相同。,图4.19Zeta型电路,图4.22Spice型电路,4.1.6Spice型电路,当电感L1和电感L2电流都连续时，Spice电路在一个开关周期内经历开关导通、开关关断2个开关状态,图4.23Spice型电路电流连续时的开关状态,4.1.6Spice型电路,图4.21Spice型电路电流连续时的主要电压、电流波形,Spice型电路两个开关状态工作原理的分析方法与Cuk型电路或Zeta型电路的分析方法基本相同。推导出Spice电路输入输出电压关系式和电压表达式为,4.1.6Spice型电路,,Spice电路输入输出电流关系为,各种不同的非隔离DC/DC变换电路各自的特点及应用场合。,4.1.6Spice型电路,,,,,,,,,,,表4.1各种不同的非隔离DC/DC变换器的比较,4.1.6Spice型电路,,,,,,,,,,,
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