Boost-Buck电路学习教程.pptx

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1、直流变换电路直流变换电路 1、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。(开关型DC/DC 变换电路/斩波器)。2、分类：按稳压控制方式:脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制、(PFM)直流变换电路。按变换器的功能:降压变换电路(Buck)、升压变换电路(Boost)、升降压变换电路(Buck-Boost)、库克变换电路(Cuk)和全桥直流变换电路。3、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电隔离，而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离。第1页/共42页3.1 直流变换电路的工作

2、原理v工作原理：图中S是可控开关，R为纯阻性负载。在时间内当开关S接通时，电流经负载电阻R流过，R两端就有电压；在时间内开关T断开时，R中电流为零，电压也变为零。电路中开关的占空比TS为开关T的工作周期，ton为导通时间。由波形图可得到输出电压平均值为 若认为开关T无损耗，则输入功率为 式（3.1.2）中Ud为输入直流电压。输出电压平均值的改变：因为D是01之间变化的系数，因此在D的变化范围内输出电压UO总是小于输入电压Ud，改变D值就可以改变其大小。占空比的改变：通过改变ton 或TS来实现。l图3.1.1 基本的斩波器电路l 及其负载波形（3.1.2）（3.1.1）（3.1.3）第2页/共

3、42页3.1 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：脉冲频率调制(PFM)工作方式：即维持不变，改变TS。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。脉宽调制(PWM)工作方式：即维持TS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，因此输出谐波的频率也不变，这使得滤波器的设计容易。第3页/共42页3.2 降压变换电路原理图 续流二极管续流二极管全控型电力器件输入直流电压滤波电感滤波电容负载负载第4页/共42页3.2 降压变换电路导通期间（ton）：电力开关器件导通

4、，电感蓄能，二极管D D反偏。等效电路如图3.2.1(b)3.2.1(b)所示 ；关断期间（t toffoff）：电力开关器件断开，电感释能，二极管D D导通续流。等效电路如3.2.1(c)3.2.1(c)所示；由波形图3.2.1(b)可以计算出输出电压的平均值为：图3.2.1 降压电路及其波形图(3.2.3)忽略器件功率损耗，即 输入输出电流关系为：第5页/共42页3.2 降压变换电路v电感中的电流i iL L是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。图3.2.2 电感电流波形图v Buck变换器的可能运行情况：电感电流连续模式电感电流临界连续状态电感电流断流模式第6页/共42页3

5、.2 降压变换电路(3.2.4)l1 1）电感电流i iL L连续模式 ：在t tonon期间:电感上的电压为 由于电感L L和电容C C无损耗，因此i iL L从I I1 1线性增长至I I2 2，上式可以写成式中I IL L=I=I2 2I I1 1为电感上电流的变化量，U UO O为输出电压的平均值。第7页/共42页3.2 降压变换电路(3.2.5)(3.2.6)(3.2.7)(3.2.8)(3.2.9)l1 1）电感电流i iL L连续模式 ：在t toffoff期间:假设电感中的电流i iL L从I I2 2线性下降到I I1 1，则有l根据式(3.2.4)(3.2.4)、(3.2.

6、5)(3.2.5)可求出开关周期S S为l 上式中IL为流过电感电流的峰峰值，最大为I2，最小为I1。电感电流一周期内的平均值与负载电流IO相等，即将式(3.2.7)、(3.2.8)同时代入关系式IL=I2I1可得第8页/共42页3.2 降压变换电路2 2）电感电流iL临界连续状态：变换电路工作在临界连续状态时，即有I1=0，由可得维持电流临界连续的电感值L0为：即电感电流临界连续时的负载电流平均值为：式中Iok为电感电流临界连续时的负载电流平均值。总结：临界负载电流Iok与输入电压Ud、电感L、开关频率f以及开关管T的占空比D都有关。当实际负载电流Io Iok时，电感电流连续；当实际负载电流

7、Io =Iok时，电感电流处于连续（有断流临界点）;当实际负载电流Io Iok时，电感电流断流；(3.2.10)(3.2.11)第9页/共42页3.2 降压变换电路v输出纹波电压：在Buck电路中，如果滤波电容C的容量足够大，则输出电压U0为常数。然而在电容C为有限值的情况下，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为 其中f为buck电路的开关频率，fc为电路的截止频率。它表明通过选择合适的L、C值，当满足fcf 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。（3.2.14）第10页/共42页 3.3 升压变换电路1)1)定义：直流输出电压的平均值高于输入电压的变

8、换电路称为升压变换电路，又叫Boost电路。全控型电力器件开关储能保持输出电压2 2）原理图第11页/共42页 3.3 升压变换电路3）工作原理：ton工作期间：二极管反偏 截止，电感L L储能，电容C C 给负载R R提供能量。toff工作期间：二极管 导通，电感L L经二极管给 电容充电，并向负载R RL L提 供能量。可得：式中占空比D=tD=tonon/T/TS S，当D=0D=0时，U U0 0=U=Ud d，但D D不能为1 1，因此在0D0D1 1的变化范围内 U Uo oUUinin图3.3.1 升压变换电路及其波形第12页/共42页 3.3 升压变换电路4）Buck变换器的可

9、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，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负载电流平均值为：当实际负载电流IoIck时，电感电流连续。当实际负载电流Io=Ick时,电感电流处于临界连续(有断流临界点)。当实际负载电流IoIck时，电感电流断流。(2.3.11)第13页/共42页 3.3 升压变换电路 T导通时为电感L储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠储于电容C的能量维待工作。T阻断时，电源和电感共同向负载供电，同时给电容 C充电。图3.3.1 升压变换电路及其波形 总结：电感电流连续时Boost变换器的工作分为两个阶段:第14页/共42页 3.3 升

10、压变换电路 没有电压闭环调节的Boost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T导通期间()电源输入到电感L中的磁能，在T截止期间通过二极管D转移到输出端，如果负载电流很小，就会出现电流断流情况。如果负载电阻变得很大，负载电流太小，这时若占空比D仍不减小、t tonon不变、电源输入到电感的磁能必使输出电压不断增加。总 结：Boost电路对电源的输人电流（也即通过二极管D的电流）就是升压电感L电流，电流平均值为：I0=(I2-I1)/2。实际中，选择电感电流的增量IL时，应使电感的峰值电流Id+IL不大于最大平均直流输入电流Id的20%，以防止电感L饱和失效。Boost变换器

11、的效率很高，一般可达92%以上。第15页/共42页 第第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 3.2 降压变换电路 3.3 升压变换电路 3.4 升降压变换电路 3.5 库克变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器 3.7 直流变换电路的PWMPWM控制技术 第16页/共42页3.4 升降压变换电路1)概述：升降压变换电路（又称Buck-boost电路）的输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反，其电路原理图如图3.4.1(a)所示。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。l图3.4.1升降压变换电路原

12、理图第17页/共42页3.4 升降压变换电路2）工作原理：ton期间，二极管D反偏而关断，电感储能，滤波电容C向负载提供能量。l图3.4.1 升降压变换电路及其工作波形(3.4.4)(3.4.4)(3.4.1)(3.4.1)toff期间，当感应电动势大小超过输出电压期间，当感应电动势大小超过输出电压U U0 0时，二极管时，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，使输出电压的极性与输入电压相反。反向放电，使输出电压的极性与输入电压相反。第18页/共42页3.4 升降压变换电路2）工作原理：（续）在ton期间电感电流的增加量等于toff期间的减少量，得：(3

13、.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反为占空比，负号表示输出与输入电压反相；当相；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，T1和T4导通，T2和T3关断；2)2)当u ur ruc时，开关T1、T4关断，T2、T3导通。1、双极性电压开关PWM控制方式l图3.6.5 全桥变换电路 第37页/共42页l图3.7.2 双极性电压PWM控制方式 1、双极性电压开关PWM控制方式输出电压的平均值为：3.7 直流变换电路的PWM控制技术 变换电路的输出电压可在-Ud到+Ud之间变化:1 1）时，U U0=0=0；2 2）时，U0000；第38页/共42页3.7 直流变换电路的PWM控制技术 1 1）在理想条件下，U0的大小和极性只受占空比D1的控制，而与输出电流i0无关。2 2）在这种控制方式中，输出电压的平均值U0随控制信号ur线性变化。3）这种电路平均输出电流I0可正可负。在I00时，直流电源Ud向负载U0端传送能量，在I0 ，T1触发导通，T2 关断,u,u0 0=U=Ud；2)2)若 0或I00，U0始终为正值。(3.7.7)3.7 直流变换电路的PWM控制技术 第41页/共42页谢谢您的观看！第42页/共42页