哈工大课件DC-DC技术-文库.ppt

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1、第一章第一章第一章第一章 DC-DC Converter(DC-DC Converter(直流变换器直流变换器直流变换器直流变换器)按主电路器件：按主电路器件：半控型半控型/全控型全控型直流变换器的分类：直流变换器的分类：按输入输出电压：按输入输出电压：降压式降压式/升压式升压式/升降压式升降压式按工作范围：按工作范围：单象限单象限/双象限双象限/四象限四象限按电路结构：按电路结构：单元电路单元电路/多元电路多元电路（单重、多重）（单重、多重）按输入输出电隔离：按输入输出电隔离：非隔离非隔离/隔离隔离(正激、反激、自激）正激、反激、自激）按输入滤波结构：按输入滤波结构：电流源电流源/电压源电压

2、源按器件开关方式：按器件开关方式：硬开关电路硬开关电路/软开关电路软开关电路第一章第一章第一章第一章 DC-DC Conwerter DC-DC Conwerter 多元多重结构：多元多重结构：元元从电源侧看，差从电源侧看，差T/n分时的基本电路（分时的基本电路（n个）；个）；重重从负载侧看，差从负载侧看，差T/n分时的基本电路（分时的基本电路（m个）个）n元元n重结构重结构n元单重结构元单重结构1-1 Buck Converter1-2 Boost Converter1-3 Buck-Boost Converter1-4 Cuk Converter1-5 Sepic&Zeta Convert

3、er1-6 多象限变换器多象限变换器1-7 变压器隔离变压器隔离DC-DC变换器变换器Forward/Flyback/Royer Converter/1-8 常用常用PWM集成控制芯片集成控制芯片*本章内容：本章内容：本章内容：本章内容：条条条条 件件件件 假假假假 设设设设1 1、理想开关器件；、理想开关器件；、理想开关器件；、理想开关器件；2、L、C 无损耗，无寄生参数；无损耗，无寄生参数；3、电源、电源 Ui 内阻为零，无分布参数；内阻为零，无分布参数；4、开关频率、开关频率 fs 远大于截止频率远大于截止频率 fc1-11-1 Buck ConverterBuck Converter电

4、感电流：连续连续(CCM-Continuous Current Mode)临界临界 断续断续(DCM-Discontiuous Current Mode)电压纹波、谐波、内阻 电流的不同状态电流的不同状态电流的不同状态电流的不同状态电流的不同状态电流的不同状态1 电流连续状态电流连续状态：稳定状态下稳定状态下：直流变压器直流变压器在稳定状态下，一个开关周期中，电感伏秒积的代数和为在稳定状态下，一个开关周期中，电感伏秒积的代数和为0 0。即：电感两端的平均电压为即：电感两端的平均电压为0 0。L伏秒平衡原则：伏秒平衡原则：C安秒平衡原则：安秒平衡原则：在稳定状态下，一个开关周期中，电容安秒积的代

5、数和为在稳定状态下，一个开关周期中，电容安秒积的代数和为0 0。即：流经电容的平均电流为即：流经电容的平均电流为0 0。电流临界状态电流临界状态：D=0.1D=0.9U:100V/Div.I:5A/DivD=0.5 电流断续状态电流断续状态：续流时间续流时间？电流断续状态电流断续状态：D对对UO的调节规律的调节规律？输出电压的纹波和谐波输出电压的纹波和谐波输出电压的纹波和谐波输出电压的纹波和谐波输出电压的纹波和谐波输出电压的纹波和谐波设：稳态连续设：稳态连续 IOC、IOR而而 IL=IO2输出电压的谐波输出电压的谐波:未经滤波的输出电压，即二极管未经滤波的输出电压，即二极管反压的富氏级数反压

6、的富氏级数电路内阻的影响电路内阻的影响电路内阻的影响电路内阻的影响电路内阻的影响电路内阻的影响 (CCM)(CCM)(CCM)设：设：S与与D的通态电阻相同，为的通态电阻相同，为ron 电感寄生电阻为电感寄生电阻为rL 3电源效率：电源效率：输出滤波器参数输出滤波器参数输出滤波器参数输出滤波器参数输出滤波器参数输出滤波器参数 CCMCCMCCM4由电感临界电流平均值：得 其中：若负载稳定，此L过小，使IS-on-Max和UO过大，故一般取：若IO-min过小，所需L过大，可加假负载，但低；由输出电压纹波幅值由输出电压纹波幅值：得 注意！注意！高频时电容的等效电路：ESREquivalent S

7、eries Resistance 等效串联电阻 ESLEquivalent Series Inductance 等效串联电感 Rc漏电阻很大C很大 感性大，对开关电压谐波谐波尖峰无缓冲。选用高频电容 缩短C引线，减小分布电感；多电容并联，减小ESR。或 仿真分析仿真分析仿真分析仿真分析仿真分析仿真分析5例例：计算临界电感；计算电压纹波；D=0.51-21-2 Boost ConverterBoost Converter 电感电流：连续 临界 断续 电压纹波电流的不同状态电流的不同状态电流的不同状态电流的不同状态电流的不同状态电流的不同状态1 电流连续状态电流连续状态：稳定状态下：稳定状态下：电

8、流临界状态电流临界状态：电流断续状态电流断续状态：输入电流保护输入电流保护输出电压保护输出电压保护泵升电压！泵升电压！输出电压纹波输出电压纹波输出电压纹波输出电压纹波输出电压纹波输出电压纹波设：稳态连续设：稳态连续 IOC、IOR23 例例：Ui=1236V，Uo=48V，Pomax=120W，fs=50kHz。选取保持断续状态的L量。（与Ui=1236V无关）仿真分析仿真分析仿真分析仿真分析仿真分析仿真分析4D=0.75D=0.50 D=0.25fS=50kHzUR1 500mV/Drv AC1-31-31-3 Buck-Boost ConverterBuck-Boost Converter

9、Buck-Boost ConverterBuck-Boost ConverterB-B.Converter=Buck 串联串联 Boost连续与临界状态连续与临界状态连续与临界状态连续与临界状态连续与临界状态连续与临界状态1电流断续状态电流断续状态电流断续状态电流断续状态电流断续状态电流断续状态2例：f=20kHz,L=0.05mH,Ui=15V,Uo=10V,Po=10W,C足够大。判断电流状态连续否？D=0.4;Ioc=1.8A,Io=1A 断续断续输入电流保护输入电流保护输出电压保护输出电压保护仿真分析仿真分析仿真分析仿真分析仿真分析仿真分析4D=0.4Buck-Boost Conver

10、ter I/O电流脉动较大电流脉动较大 应加滤波器应加滤波器fS=20kHz Po=10W仿真分析仿真分析仿真分析仿真分析仿真分析仿真分析4D=0.50fS=50kHz Po=120WBoost Converter 输入电流脉动较小输入电流脉动较小1-41-41-4 Cuk Cuk Cuk Converter Converter ConverterCuk ConverterCuk ConverterCuk Converter=Boost 串联串联 Buck Cuk Cuk Cuk 电路分析电路分析电路分析电路分析电路分析电路分析 C1足够大；稳态时足够大；稳态时UL1、2 =0S 通通S 关关

11、 电感上的电压电感上的电压 由串联结构，或由串联结构，或L1或或L2电压电压 Cuk Cuk Cuk 电路分析电路分析电路分析电路分析电路分析电路分析例例：f=50kHz,D=0.33其它单象限变换器其它单象限变换器课课后后自自行行分分析析1-51-51-5 多象限斩波电路多象限斩波电路多象限斩波电路多象限斩波电路多象限斩波电路多象限斩波电路一、一、电流电流电流电流双象限半桥式斩波器双象限半桥式斩波器Buck ConverterBoost Converter双象限运行，电流、功率可逆双象限运行，电流、功率可逆并并联联电流双象限半桥式斩波器电流双象限半桥式斩波器 设：设：L足够大；稳态；足够大；

12、稳态；R=0对电机负载，对电机负载，E由由Ui而来而来对蓄电池负载，对蓄电池负载，E不由不由Ui决定决定双象限半桥式斩波器双象限半桥式斩波器电流电流电流电流双象限桥式斩波器双象限桥式斩波器BuckBoost 独立工作方式：独立工作方式：课课后后自自行行分分析析电压电压电压电压双象限桥式斩波器双象限桥式斩波器P148153其他双象限其他双象限DC/DC变换的电路拓扑变换的电路拓扑 T型双向升降压变换器型双向升降压变换器级联式升降压变换器级联式升降压变换器双向双向CUK变换器变换器Sepic/Zeta变换器变换器二、四象限全桥式斩波器二、四象限全桥式斩波器二、四象限全桥式斩波器二、四象限全桥式斩波

13、器正接正接+短接短接四象限运行，电压、四象限运行，电压、电流、功率均可逆电流、功率均可逆半桥并半桥并联联反接反接+短接短接开关器件动作规律：开关器件动作规律：每臂两个开关 不同时断开 不同时导通 即：同臂互补动作（实际存在闭锁时间）四象限全桥式斩波器四象限全桥式斩波器 设：设：L足够大；稳态；足够大；稳态；R=0双极性单双极性单双极性单双极性单PWMPWM控制控制控制控制1 对角线互补控制（正接对角线互补控制（正接+反接）反接）单极性双单极性双单极性双单极性双PWMPWM控制控制控制控制2 同臂反相控制（正接同臂反相控制（正接+短接）短接）？输出如何为负？输出如何为负？多重化多重化多重化多重化

14、PWMPWM变换变换变换变换3N=3f 31-61-61-6 带变压器隔离的直流变换电路带变压器隔离的直流变换电路带变压器隔离的直流变换电路带变压器隔离的直流变换电路带变压器隔离的直流变换电路带变压器隔离的直流变换电路 前述变换器的不足前述变换器的不足：1、无隔离；2、传输比限制；3、单路输出引入隔离变压器变压器均可克服 隔离形式隔离形式：1、单端；2、并联；3、半桥；4、全桥 比较条件比较条件：1、D=0.5；2、输入功率相同单端式单端式（Buck-Boost)：线路简单线路简单（+MRT？）？）开关通态平均电流开关通态平均电流 Ism=2Ii 需磁复位需磁复位 变压器利用率低变压器利用率低

15、 适用于适用于200W以下容量以下容量1-6 带变压器隔离的直流变换电路带变压器隔离的直流变换电路并联式并联式(推挽式）推挽式）：S1、S2 50%互补动作 开关通态平均电流开关通态平均电流 Ism=Ii 无需磁复位无需磁复位MRT 适用于适用于Ui小小Ii大的条件大的条件 S 电压应力电压应力Usm=2Ui 变压器利用率高变压器利用率高无需驱动隔离无需驱动隔离1-6 带变压器隔离的直流变换电路带变压器隔离的直流变换电路半桥式半桥式：开关通态平均电流开关通态平均电流 Ism=2Ii 变压器利用率高变压器利用率高 S1、S2 50%互补动作 S 电压应力电压应力Usm=Ui 无需磁复位无需磁复位

16、MRT 适用于适用于Ui大大Ii小的条件小的条件突出优点，具有抗不平衡能力突出优点，具有抗不平衡能力1-6 带变压器隔离的直流变换电路带变压器隔离的直流变换电路全桥式全桥式：开关通态平均电流开关通态平均电流 Ism=Ii 变压器利用率高变压器利用率高 S1、S2 50%互补动作 S 电压应力电压应力Usm=Ui 无需磁复位无需磁复位MRT 适用于大（适用于大（kW）功率要求）功率要求 线路复杂线路复杂、S多多、驱动隔离驱动隔离直通和偏磁问题直通和偏磁问题1、交变磁化交变磁化一一磁性材料的工作状态磁性材料的工作状态磁性材料的工作状态磁性材料的工作状态2、单向磁化单向磁化3、偏直磁化偏直磁化 铁心

17、利用率高 剩磁无限制 铁心损耗大 铁心利用率低 剩磁要小（加气隙）铁心损耗小 铁心损耗很小 加气隙增电流 铁心利用率很低正激变换器正激变换器正激变换器正激变换器 Forward Converter二二磁通复位技术磁通复位技术 转移消耗：正激变换器正激变换器正激变换器正激变换器 Forward Converter二二磁通复位技术磁通复位技术 再生反馈：正激变换器正激变换器正激变换器正激变换器 Forward Converter二二磁通复位技术磁通复位技术 强迫去磁：应用电路应用电路正激变换器正激变换器正激变换器正激变换器 Forward Converter二二双端正激变换器双端正激变换器 S 电

18、压应力电压应力Usm=Ui 正激变换器正激变换器正激变换器正激变换器 Forward Converter二二并联双端正激变换器并联双端正激变换器 倍频输出倍频输出 fo=fs 2元元2重结构重结构 反激变换器反激变换器反激变换器反激变换器反激变换器反激变换器 Flyback ConverterFlyback Converter三三 以以Buck-Boost电路为基础的反激变换器电路为基础的反激变换器 变压器=耦合电感多路输出自动均衡隔离 L1、L2 交替工作交替工作L1蓄能L2 释能反激反激CCMCCM变换分析变换分析 设：在直线段以单线变化反激反激临界临界临界临界变换分析变换分析 设：在直线段以单线变化 设：在直线段以单线变化反激反激DCMDCM变换分析变换分析反比于Io正比于D2CCM、DCM 负载均不可开路！负载均不可开路！设：设：在直线段以单线变化在直线段以单线变化反激反激DCMDCM变换分析变换分析