Boost-Buck电路.ppt

1、定义：定义： 利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电压利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电压的大小，将直流电能转换为另一固定电压或可调电压的直的大小，将直流电能转换为另一固定电压或可调电压的直流电能的电路称为直流变换电路。流电能的电路称为直流变换电路。(开关型开关型DC/DC变换电变换电路路/斩波器斩波器)。2、分类：、分类： 按稳压控制方式按稳压控制方式:脉冲宽度调制脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制、脉冲频率调制、(PFM)直流变换电路。直流变换电路。 按变换器的功能按变换器的功能:降压变换电路降压变换电路(Buck)、升压变换电路、升压变换电路(Boost)、升降压变换电路、升降压变换电路(Buck-Boost)、库克变换电、库克变换电路路(Cuk)和全桥直流变换电路。和全桥直流变换电路。 3、隔离方式：、隔离方式： 在直流开关稳压电源中直流变换电路常常采用变压器实现在直流开关稳压电源中直流变换电路常常采用变压器实现电隔离，而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离。电隔离，而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离。3.13.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理v工作原理：工作原理：图中图中S是可控开关，是可控开关，R为纯阻性负为纯阻性负载。在时间内当开关载。在时间内当开关S接通时，电流经负载电接通时，电流经负载电阻阻R流过，流过， R两端就有电压；在时间内开关两端就有电压；在时间内开关T断断开时，开时， R中电流为零，电压也变为零。中电流为零，电压也变为零。 电路中开关的占空比电路中开关的占空比 TS为开关为开关T的工作周期，的工作周期，ton为导通时间。为导通时间。由波形图可得到由波形图可得到输出电压平均值输出电压平均值为为 若认为开关若认为开关T无损耗，则无损耗，则输入功率输入功率为为 式（式（3.1.2）中）中Ud为输入直流电压。为输入直流电压。输出电压平均值的改变：输出电压平均值的改变：因为因为D是是01之间变化的之间变化的系数，因此在系数，因此在D的变化范围内输出电压的变化范围内输出电压UO总是小于总是小于输入电压输入电压Ud，改变，改变D值就可以改变其大小。值就可以改变其大小。占空比的改变：占空比的改变：通过改变通过改变ton 或或TS来实现。来实现。 l图图3.1.1 基本的斩波器电路基本的斩波器电路l 及其负载波形及其负载波形 SonTtD ddSonTdODUUTtdtuUS 0（3.1. 2）（3.1.1）（3.1.3） SDTdSRUDdtiuTP020013.13.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理 直流变换电路的常用工作方式主要有两种：直流变换电路的常用工作方式主要有两种： 脉冲频率调制脉冲频率调制(PFM)工作方式：工作方式： 即维持不变，改变即维持不变，改变TS。在这种调压方式中，。在这种调压方式中，由于输出电压波形的周期是变化的，因此输出谐由于输出电压波形的周期是变化的，因此输出谐波的频率也是变化的，这使得滤波器的设计比较波的频率也是变化的，这使得滤波器的设计比较困难，输出谐波干扰严重，一般很少采用。困难，输出谐波干扰严重，一般很少采用。 脉宽调制脉宽调制(PWM)工作方式：工作方式： 即维持即维持TS不变，改变。在这种调压方式中，不变，改变。在这种调压方式中，输出电压波形的周期是不变的，因此输出谐波的输出电压波形的周期是不变的，因此输出谐波的频率也不变，这使得滤波器的设计容易。频率也不变，这使得滤波器的设计容易。3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路原理图原理图 续流二极续流二极管管输入输入直流直流电压电压滤波电滤波电感感滤波电容滤波电容负负载载3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路导通期间（导通期间（ton ）：）：电力开关器件电力开关器件导通，电感蓄能，二极管导通，电感蓄能，二极管D D反偏。反偏。 等效电路如图等效电路如图3.2.1 (b)3.2.1 (b)所示所示 ；关断期间（关断期间（t toffoff）：）：电力开关器件电力开关器件断开，电感释能，二极管断开，电感释能，二极管D D导通续导通续流。等效电路如流。等效电路如3.2.1(c)3.2.1(c)所示；所示；由波形图由波形图3.2.1(b)可以计算出可以计算出输出输出电压的平均值电压的平均值为：为：图图3.2.1 降压电路及其波形图降压电路及其波形图( (3.2.3) )ddOdOIDIUUI1 )0(1)(10000 SononSTttdSTSdtdtuTdttuTUddSonDUUTt 忽略器件功率损耗，即忽略器件功率损耗，即 输入输出电流关系输入输出电流关系为：为：3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路v电感中的电流电感中的电流i iL L是否连续，取决于开关频率、滤波电感是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容和电容C的数值。的数值。图图3.2.2 电感电流波形图电感电流波形图v Buck变换器的可能运行情况：变换器的可能运行情况：电感电流连续模式电感电流连续模式电感电流临界电感电流临界连续状态连续状态电感电流断流模式电感电流断流模式3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路 (3.2.4) dtdiLuLL onLonOdtILtIILUU 12OdLonUULIt )(l1 1）电感电流）电感电流i iL L连续模式连续模式 ：在在t tonon期间期间: :电感上的电压为电感上的电压为 由于电感由于电感L L和电容和电容C C无损耗，因此无损耗，因此i iL L从从I I1 1线性增长至线性增长至I I2 2，上式，上式可以写成可以写成式中式中I IL L=I=I2 2I I1 1为电感上电流的变化量，为电感上电流的变化量，U UO O为输出电压的平均值。为输出电压的平均值。3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路 (3.2.5) (3.2.6) (3.2.7) (3.2.8) (3.2.9) offLOtILU OLoffUILt ）OdOdLoffonSUUULUIttfT (1fLDDUfLUUUUIddOdOL)1 ()( 2120III )1 (201DDLTUIISd l1 1）电感电流）电感电流i iL L连续模式连续模式 ：在在t toffoff期间期间: :假设电感中的电流假设电感中的电流i iL L从从I I2 2线性下降到线性下降到I I1 1，则有，则有l根据式根据式(3.2.4)(3.2.4)、(3.2.5)(3.2.5)可求出开关周期可求出开关周期S S为为l 上式中上式中IL为流过电感电流的峰峰值，最大为为流过电感电流的峰峰值，最大为I2，最小为，最小为I1。电。电感电流一周期内的平均值与负载电流感电流一周期内的平均值与负载电流IO相等，即将式相等，即将式(3.2.7)、(3.2.8)同同时代入关系式时代入关系式IL= I2I1可得可得3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路2 2）电感电流）电感电流iL临界连续状态：临界连续状态：变换电路工作在临界连续状态时，即有变换电路工作在临界连续状态时，即有I1=0，由，由可得维持电流临界连续的电感值可得维持电流临界连续的电感值L0为：为： 即电感电流临界连续时的负载电流平均值为即电感电流临界连续时的负载电流平均值为 ： 式中式中Iok为电感电流临界连续时的负载电流平均值。为电感电流临界连续时的负载电流平均值。 总结：总结：临界负载电流临界负载电流Iok与输入电压与输入电压Ud、电感、电感L、开关频率、开关频率f以及开关以及开关管管T的占空比的占空比D都有关。都有关。 当实际负载电流当实际负载电流Io Iok时，电感电流连续；时，电感电流连续； 当实际负载电流当实际负载电流Io = Iok时，电感电流处于连续（有断流临界点）时，电感电流处于连续（有断流临界点）; 当实际负载电流当实际负载电流Io Iok时，电感电流断流；时，电感电流断流；(3.2.10)(3.2.11)1 (201DDLTUIISd)1 (20DDITULKSdo )1(2DDLTUIOSdOK 3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路v输出纹波电压：输出纹波电压： 在在Buck电路中，如果滤波电容电路中，如果滤波电容C的容量足够大，则的容量足够大，则输出电压输出电压U0为常数。然而在电容为常数。然而在电容C为有限值的情为有限值的情况下，直流输出电压将会有纹波成份。况下，直流输出电压将会有纹波成份。电流连续时的输出电压纹波电流连续时的输出电压纹波为为 其中其中f为为buck电路的开关频率，电路的开关频率， fc为电路的截止频率。为电路的截止频率。 它表明通过选择合适的它表明通过选择合适的L、C值，当满足值，当满足fcf 时，可以限制时，可以限制输出纹波电压的大小，而且纹波电压的大小与负载无关。输出纹波电压的大小，而且纹波电压的大小与负载无关。22200)(1 (28)1 (ffDLCfDUUc （3.2.14） 3.3 3.3 升压变换电路升压变换电路 1) 1) 定义：定义：直流输出电压的平均值高于输入电压的变直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为升压变换电路，又叫换电路称为升压变换电路，又叫Boost电路。电路。全控型全控型电力器电力器件开关件开关储能储能保持输出保持输出电压电压2 2）原理图）原理图 3.3 3.3 升压变换电路升压变换电路 3）工作原理：）工作原理：ton工作期间：工作期间：二极管反偏二极管反偏 截止，电感截止，电感L L储能，电容储能，电容C C 给负载给负载R R提供能量。提供能量。toff工作期间：工作期间：二极管二极管 导通，电感导通，电感L L经二极管给经二极管给 电容充电，并向负载电容充电，并向负载R RL L提提 供能量。供能量。 可得：可得： 式中占空比式中占空比D=tD=tonon/T/TS S，当，当D=0D=0时，时，U U0 0=U=Ud d，但，但D D不能为不能为1 1，因此在，因此在 0D0D1 1的变化范围内的变化范围内 U Uo oUUinin图图3.3.1 升压变换电路及其波形升压变换电路及其波形DUUtttUddoffoffon 10 3.3 3.3 升压变换电路升压变换电路4）Buck变换器的可能运行情况：变换器的可能运行情况： 根据在理想状态下，电路的输出功率等于输入功率，根据在理想状态下，电路的输出功率等于输入功率，参考降压变换电路的计算方法，可得参考降压变换电路的计算方法，可得电感电流临界连续时的电感电流临界连续时的负载电流平均值负载电流平均值为：为： 当实际负载电流当实际负载电流IoIck时，电感电流连续。时，电感电流连续。 当实际负载电流当实际负载电流Io = Ick时时,电感电流处于临界连续电感电流处于临界连续(有断流临界点有断流临界点)。 当实际负载电流当实际负载电流IoIck时，电感电流断流时，电感电流断流。 dOSOKULDTI2 (2.3.11) 3.3 3.3 升压变换电路升压变换电路 T T导通时为电感导通时为电感L L储能阶段，此时电源储能阶段，此时电源不向负载提供能量，不向负载提供能量，负载靠储于电容负载靠储于电容C C的的能量维待工作。能量维待工作。 T T阻断时，电源和阻断时，电源和电感共同向负载供电，电感共同向负载供电，同时给电容同时给电容 C C充电充电。 图图3.3.1 升压变换电路及其波形升压变换电路及其波形 总结：电感电流连总结：电感电流连续时续时BoostBoost变换器的变换器的工作分为两个阶段工作分为两个阶段: : 3.3 3.3 升压变换电路升压变换电路 没有电压闭环调节的没有电压闭环调节的Boost变换器不宜在输出端开路情况变换器不宜在输出端开路情况下工作：因为稳态运行时，开关管下工作：因为稳态运行时，开关管T导通期间导通期间 ( )电源电源输入到电感输入到电感L中的磁能，在中的磁能，在T截止期间通过二极管截止期间通过二极管D转移到输转移到输出端，如果负载电流很小，就会出现电流断流情况。如果出端，如果负载电流很小，就会出现电流断流情况。如果负载电阻变得很大，负载电流太小，这时若占空比负载电阻变得很大，负载电流太小，这时若占空比D仍不减仍不减小、小、t tonon不变、电源输入到电感的磁能必使输出电压不断增不变、电源输入到电感的磁能必使输出电压不断增加。加。SonDTt 总总 结：结： Boost电路对电源的输人电流（也即通过二极管电路对电源的输人电流（也即通过二极管D的的电流）就是升压电感电流）就是升压电感L电流，电流平均值为：电流，电流平均值为：I0=(I2-I1)/2。 实际中，选择电感电流的增量实际中，选择电感电流的增量IL时，应使电感的时，应使电感的峰值电流峰值电流Id+IL不大于最大平均直流输入电流不大于最大平均直流输入电流Id的的20%，以防止电感以防止电感L饱和失效。饱和失效。 Boost变换器的效率很高，一般可达变换器的效率很高，一般可达92%以上。以上。 第第3 3章章 直流变换电路直流变换电路 3.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理 3.2 降压变换电路降压变换电路 3.3 升压变换电路升压变换电路 3.4 升降压变换电路升降压变换电路 3.5 库克变换电路库克变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器 3.7 直流变换电路的直流变换电路的PWMPWM控制技术控制技术 3.4 3.4 升降压变换电路升降压变换电路 1) 概述：概述： 升降压变换电路（又称升降压变换电路（又称Buck-boost电路）的输出电路）的输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输电压平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反，其电路原理图如图入电压极性相反，其电路原理图如图3.4.1(a)所示。所示。 它主要用于要求输出与输入电压反相，其值可大它主要用于要求输出与输入电压反相，其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源。于或小于输入电压的直流稳压电源。l图图3.4.1升降压变换电路原理图升降压变换电路原理图3.4 3.4 升降压变换电路升降压变换电路 2）工作原理：）工作原理： ton期间，二极管期间，二极管D反偏而关断，电反偏而关断，电感储能，滤波电容感储能，滤波电容C向负载提供能量。向负载提供能量。 l图图3.4.1 升降压变换电路及升降压变换电路及其工作波形其工作波形(3.4.4)(3.4.4)(3.4.1)(3.4.1)offLtILU 0onLondtILtIILU12 toff期间，当感应电动期间，当感应电动势大小超过输出电压势大小超过输出电压U U0 0时，时，二极管二极管D D导通，电感经导通，电感经D D向向C C和和R RL L反向放电，使输出电反向放电，使输出电压的极性与输入电压相反。压的极性与输入电压相反。3.4 3.4 升降压变换电路升降压变换电路2）工作原理：（）工作原理：（续）续） 在在ton期间电感电流的增加量等于期间电感电流的增加量等于toff期间的减少量，期间的减少量，得：得： offondtLUtLU0SonDTtSoffTDt)1 ( dUDDU10(3.4.5)由由 的关系，求出输出电压的平的关系，求出输出电压的平均值为：均值为：上式中，上式中，D为占空比，负号表示输出与输入电压为占空比，负号表示输出与输入电压反相；当反相；当D=0.5时，时，U0=Ud；当；当0.5DUd，为升压变换；当，为升压变换；当0D0.5时，时，U0uc时，时，T1和和T4导通，导通，T2和和T3关断；关断；2)2)当当u ur ruc时，开关时，开关T1、T4关断，关断，T2、T3导通。导通。 1 、双极性电压开关双极性电压开关PWM控制方式控制方式l图图3.6.5 全桥变换电路全桥变换电路 l图图3.7.2 双极性电压双极性电压PWM控制方式控制方式 1 、双极性电压开关双极性电压开关PWM控制方式控制方式输出电压的平均值为：输出电压的平均值为：3.7 3.7 直流变换电路的直流变换电路的PWMPWM控制技术控制技术 变换电路的输出电压可变换电路的输出电压可在在-Ud到到+Ud之间变化之间变化: 1 1） 时，时，U U0 0=0=0； 2 2） 时，时，U U0 0000；ddsondsonsdsonUDUTtUTtTUTtU) 12 () 12 (102sonTt2sonTt2sonTt3.7 3.7 直流变换电路的直流变换电路的PWMPWM控制技术控制技术 1 1）在理想条件下，）在理想条件下，U0的大小和极性只受占空比的大小和极性只受占空比D1的的控制，而与输出电流控制，而与输出电流i0无关。无关。 2 2）在这种控制方式中，输出电压的平均值）在这种控制方式中，输出电压的平均值U0随控制随控制信号信号ur线性变化。线性变化。 3）这种电路平均输出电流）这种电路平均输出电流I0可正可负。在可正可负。在I00时，时，直流电源直流电源Ud向负载向负载U0端传送能量，在端传送能量，在I0 ， T1触发导通，触发导通，T2 关断关断,u,u0 0=U=Ud； 2) 2) 若若 0或或I00，U0始终为正值。始终为正值。rrcmdd10kuuUU1)U(2DU (3.7.7) 3.7 3.7 直流变换电路的直流变换电路的PWMPWM控制技术控制技术