升降壓變換電路Buck-Boost

1、 第第3章章 直流變換電路直流變換電路 3.1 直流變換電路的工作原理直流變換電路的工作原理 3.2 降壓變換電路降壓變換電路 3.3 升壓變換電路升壓變換電路 3.4 升降壓變換電路升降壓變換電路 3.6 帶隔離變壓器的直流變換器帶隔離變壓器的直流變換器1、定義：定義： 利用電力開關(guān)器件周期性的開通與關(guān)斷來改變輸出電壓利用電力開關(guān)器件周期性的開通與關(guān)斷來改變輸出電壓的大小，將直流電能轉(zhuǎn)換為另一固定電壓或可調(diào)電壓的直流的大小，將直流電能轉(zhuǎn)換為另一固定電壓或可調(diào)電壓的直流電能的電路稱為直流變換電路電能的電路稱為直流變換電路(DC/DC變換電路變換電路)。也稱為。也稱為斬波器。斬波器。2、分類：、

2、分類： 按變換器的功能按變換器的功能:降壓變換電路降壓變換電路(Buck)、升壓變換電路、升壓變換電路(Boost)、升降壓變換電路、升降壓變換電路(Buck-Boost)、正激式變換、正激式變換電路、反激式變換電路、庫克變換電路電路、反激式變換電路、庫克變換電路(Cuk)和全橋直流變和全橋直流變換電路等。換電路等。3.1 直流變換電路的工作原理直流變換電路的工作原理v 工作原理：工作原理：圖中圖中S是可控開關(guān)，是可控開關(guān)，R為純阻性負(fù)載。在時間內(nèi)當(dāng)開關(guān)為純阻性負(fù)載。在時間內(nèi)當(dāng)開關(guān)S接通時，電流經(jīng)負(fù)載電阻接通時，電流經(jīng)負(fù)載電阻R流過，流過， R兩端就有電壓；在時間內(nèi)開關(guān)兩端就有電壓；在時間內(nèi)開

3、關(guān)T斷開時，斷開時， R中電流為零，電壓也中電流為零，電壓也變?yōu)榱?。變?yōu)榱恪?TS為開關(guān)為開關(guān)T的工作周期，的工作周期，ton為導(dǎo)通為導(dǎo)通時間。時間。由波形圖可得到由波形圖可得到輸出電壓平均值輸出電壓平均值：l圖圖3.1.1 基本的斬波器電路基本的斬波器電路l 及其負(fù)載波形及其負(fù)載波形 donOUTstU改變改變D值就可以改變輸出電壓值就可以改變輸出電壓UO的大小。的大小。因為因為D是是01之間變化的系數(shù)，因此在之間變化的系數(shù)，因此在D的變化范圍內(nèi)輸?shù)淖兓秶鷥?nèi)輸出電壓出電壓UO總是小于輸入電壓總是小于輸入電壓Ud，SonTtDdODUU（3.1. 2）定義定義占空比占空比：則：則：（3.1.

4、1） 直流變換電路的常用工作方式主要有兩種：直流變換電路的常用工作方式主要有兩種： 脈沖頻率調(diào)制脈沖頻率調(diào)制(PFM)工作方式：工作方式：即維持即維持ton不變，改變不變，改變TS。一般很少采用。一般很少采用。 脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(PWM)工作方式：工作方式： 即維持即維持TS不變，改變不變，改變ton 。這種工作方式最常用。這種工作方式最常用。占空比的改變：通過改變占空比的改變：通過改變t tonon 或或T TS S來實現(xiàn)。來實現(xiàn)。3.2 降壓變換電路降壓變換電路(Buck)原理圖原理圖 續(xù)流二極管續(xù)流二極管全控型電全控型電力器件力器件輸入直輸入直流電壓流電壓濾波電感濾波電感濾波電容濾波電容

5、負(fù)載負(fù)載3.2 降壓變換電路降壓變換電路 導(dǎo)通導(dǎo)通期間（期間（ton ）：）：電力開電力開關(guān)器件導(dǎo)通關(guān)器件導(dǎo)通T T，電感蓄能，電感蓄能，二極管二極管D D反偏。反偏。 等效電路如圖等效電路如圖3.2.1 (b).3.2.1 (b). 關(guān)斷期間（關(guān)斷期間（t toffoff）：）：電力開電力開關(guān)器件斷開，電感釋能，關(guān)器件斷開，電感釋能，二極管二極管D D導(dǎo)通續(xù)流。等效電導(dǎo)通續(xù)流。等效電路如路如3.2.1(c)3.2.1(c)所示；所示； 可以計算出可以計算出輸出電壓的平輸出電壓的平均值均值為：為：圖圖3.2.1 降壓電路及其波形圖降壓電路及其波形圖( (3.2.3) )doDUU改變改變D值就

6、可以改變輸出電壓值就可以改變輸出電壓UO的大小。的大小。因為因為D是是01之間變化的系數(shù)，之間變化的系數(shù)，因此輸出電壓因此輸出電壓UO總是小于總是小于輸入電壓輸入電壓Ud。所以稱為降壓變換電路。所以稱為降壓變換電路。SonTtD dODUU占空比占空比：ddOdOIDIUUI1 忽略功率損耗，由輸入輸出功率平衡有：忽略功率損耗，由輸入輸出功率平衡有：ooddIUIU可得：可得：改變改變D值就可以改變輸出電壓值就可以改變輸出電壓UO的大小。的大小。因為因為D是是01之間變化的系數(shù)，之間變化的系數(shù)，因此輸出電壓因此輸出電壓UO總是小于總是小于輸入電壓輸入電壓Ud。所以稱為降壓變換電路。所以稱為降壓

7、變換電路。忽略功率損耗，由輸入輸出功率平衡有：忽略功率損耗，由輸入輸出功率平衡有：v 電感中的電流電感中的電流i iL L是否連續(xù)，取決于開關(guān)頻率、濾波電感是否連續(xù)，取決于開關(guān)頻率、濾波電感L和電容和電容C的數(shù)值。的數(shù)值。3.2 降壓變換電路（降壓變換電路（Buck）圖圖3.2.2 電感電流波形圖電感電流波形圖v Buck變換器的可能運行情況：變換器的可能運行情況：電感電流連續(xù)模式電感電流連續(xù)模式電感電流臨界電感電流臨界連續(xù)狀態(tài)連續(xù)狀態(tài)電感電流斷流模式電感電流斷流模式3.2 降壓變換電路降壓變換電路 (3.2.4) dtdiLuLL onLonOdtILtIILUU 12OdLonUULIt

8、)(l1 1）電感電流）電感電流i iL L連續(xù)模式連續(xù)模式 ：在在t tonon期間期間: : 電感上的電壓為電感上的電壓為式中式中I IL L=I=I2 2I I1 1為電感上電流的變化量，為電感上電流的變化量，U UO O為輸出電壓的為輸出電壓的平均值。平均值。 (3.2.5) (3.2.6) (3.2.7) (3.2.8) (3.2.9) offLOtILU OLoffUILt ）OdOdLoffonSUUULUIttfT (1fLDDUfLUUUUIddOdOL)1 ()( 2120III )1 (201DDLTUIISd 在在t toffoff期間期間: :電感中的電流電感中的電流

9、i iL L從從I I2 2線性下降到線性下降到I I1 1，則有，則有l(wèi)根據(jù)式根據(jù)式(3.2.4)(3.2.4)、(3.2.5)(3.2.5)可求出開關(guān)周期可求出開關(guān)周期S S為為l 上式中上式中IL為流過電感電流的峰峰值，最大為為流過電感電流的峰峰值，最大為I2，最，最小為小為I1。電感電流一周期內(nèi)的平均值與負(fù)載電流。電感電流一周期內(nèi)的平均值與負(fù)載電流IO相等，相等，即將式即將式(3.2.7)、(3.2.8)同時代入關(guān)系式同時代入關(guān)系式IL= I2I1可得可得2 2）電感電流）電感電流iL臨界連續(xù)狀態(tài)：臨界連續(xù)狀態(tài)：變換電路工作在臨界連續(xù)狀態(tài)時，即有變換電路工作在臨界連續(xù)狀態(tài)時，即有I1=

10、0，由，由可得電流臨界連續(xù)的電感值可得電流臨界連續(xù)的電感值L0為：為： 即電感電流臨界連續(xù)時的負(fù)載電流平均值為即電感電流臨界連續(xù)時的負(fù)載電流平均值為 ： 式中式中Iok為電感電流臨界連續(xù)時的負(fù)載電流平均值。為電感電流臨界連續(xù)時的負(fù)載電流平均值。 當(dāng)實際負(fù)載電流當(dāng)實際負(fù)載電流Io Iok時，電感電流連續(xù)；時，電感電流連續(xù)； 當(dāng)實際負(fù)載電流當(dāng)實際負(fù)載電流Io = Iok時，電感電流處于臨界連續(xù)時，電感電流處于臨界連續(xù); 當(dāng)實際負(fù)載電流當(dāng)實際負(fù)載電流Io Iok時，電感電流斷續(xù)。時，電感電流斷續(xù)。(3.2.10)(3.2.11)1 (201DDLTUIISd)1 (20DDITULKSdo )1(2

11、DDLTUIOSdOK v輸出紋波電壓：輸出紋波電壓： 在在Buck電路中，如果濾波電容電路中，如果濾波電容C的容量足夠大，的容量足夠大，則輸出電壓則輸出電壓U0被濾得非常平。然而實際中的電被濾得非常平。然而實際中的電容容不可能不可能為無窮大，所以直流輸出電壓總會有為無窮大，所以直流輸出電壓總會有紋波成份。紋波成份。電流連續(xù)時的輸出電壓紋波電流連續(xù)時的輸出電壓紋波為為 其中其中f為為buck電路的開關(guān)頻率。電路的開關(guān)頻率。 它表明通過選擇合適的它表明通過選擇合適的L、C值，可以限制輸出紋波電值，可以限制輸出紋波電壓的大小，而且紋波電壓的大小與負(fù)載無關(guān)。壓的大小，而且紋波電壓的大小與負(fù)載無關(guān)。2

12、008)1 (LCfDUU（3.2.14） 3.3 升壓變換電路（升壓變換電路（Boost）電路）電路 1) 1) 定義：定義：直流輸出電壓的平均值高于輸入電壓的直流輸出電壓的平均值高于輸入電壓的變換電路稱為升壓變換電路，又叫變換電路稱為升壓變換電路，又叫Boost電路電路。全控型電力全控型電力器件開關(guān)器件開關(guān)電感，用電感，用來儲能來儲能2 2）原理圖）原理圖電容，用來保電容，用來保持輸出電壓持輸出電壓 3）工作原理：）工作原理： ton工作期間：工作期間：二極管截止，電感二極管截止，電感L L儲儲能，電容能，電容C C 給負(fù)載給負(fù)載R R提供能量。如圖提供能量。如圖(b).(b). toff

13、工作期間：工作期間：二極二極管管 導(dǎo)通，電感導(dǎo)通，電感L L經(jīng)經(jīng)二極管給二極管給 電容充電容充電，并向負(fù)載電，并向負(fù)載R R提提 供能量。如圖供能量。如圖(c)(c) . . 3.3 升壓變換電路升壓變換電路圖圖3.3.1 升壓變換電路及其波形升壓變換電路及其波形DUUtttUddoffoffon 10式中占空比式中占空比D=ton/TS。當(dāng)當(dāng)D=0時，時，U0=Ud，但，但D不能為不能為1。 0D1改變占空比改變占空比D，就可以改變輸出電壓，就可以改變輸出電壓Uo。因為因為 0D1， UoUin。所以稱為升壓變換電路。所以稱為升壓變換電路?？梢酝频幂敵鲭妷嚎梢酝频幂敵鲭妷篣o與輸入電壓與輸入

14、電壓Ud之間的關(guān)系為：之間的關(guān)系為：4）Boost變換器的可能運行情況：變換器的可能運行情況：參考降壓變換電路的計算方法，可得參考降壓變換電路的計算方法，可得電感電流臨界連電感電流臨界連續(xù)時的負(fù)載電流平均值續(xù)時的負(fù)載電流平均值為：為： 當(dāng)實際負(fù)載電流當(dāng)實際負(fù)載電流IoIok時，電感電流連續(xù)。時，電感電流連續(xù)。 當(dāng)實際負(fù)載電流當(dāng)實際負(fù)載電流Io = Iok時時,電感電流處于臨界連續(xù)。電感電流處于臨界連續(xù)。 當(dāng)實際負(fù)載電流當(dāng)實際負(fù)載電流IoIok時，電感電流斷續(xù)時，電感電流斷續(xù)。 dOSOKULDTI2 (2.3.11)00sUDTURC輸出紋波電壓：輸出紋波電壓： 在在Boost電路中，如果濾波

15、電容電路中，如果濾波電容C的容量足夠大，則輸出的容量足夠大，則輸出電壓電壓U0被濾得非常平。然而實際中的電容不可能為無窮大，被濾得非常平。然而實際中的電容不可能為無窮大，所以直流輸出電壓總會有紋波成份。所以直流輸出電壓總會有紋波成份。電流連續(xù)時的輸出電壓紋波電流連續(xù)時的輸出電壓紋波為為 上式表明通過選擇合適的上式表明通過選擇合適的C值，可以限制輸出紋波電壓的大值，可以限制輸出紋波電壓的大小。小。3.4 升降壓變換電路升降壓變換電路 1) 概述：概述： 升降壓變換電路（又稱升降壓變換電路（又稱Buck-boost電路）的輸出電電路）的輸出電壓平均值壓平均值可以大于或小于可以大于或小于輸入直流電壓

16、，輸入直流電壓，輸出電壓與輸輸出電壓與輸入電壓極性相反入電壓極性相反，其電路原理圖如圖，其電路原理圖如圖3.4.1(a)所示。所示。 它主要用于要求輸出與輸入電壓反相，其值可大于它主要用于要求輸出與輸入電壓反相，其值可大于或小于輸入電壓的直流穩(wěn)壓電源?；蛐∮谳斎腚妷旱闹绷鞣€(wěn)壓電源。l圖圖3.4.1升降壓變換電路原理圖升降壓變換電路原理圖3.4 升降壓變換電路升降壓變換電路 2）工作原理：）工作原理： ton期間，二極管期間，二極管D反偏反偏而關(guān)斷，電感儲能，濾波而關(guān)斷，電感儲能，濾波電容電容C向負(fù)載提供能量。向負(fù)載提供能量。 l圖圖3.4.1 升降壓變換電路及其工作波形升降壓變換電路及其工作波

17、形 toff期間，當(dāng)感應(yīng)電動期間，當(dāng)感應(yīng)電動勢大小超過輸出電壓勢大小超過輸出電壓U U0 0時，時，二極管二極管D D導(dǎo)通，電感經(jīng)導(dǎo)通，電感經(jīng)D D向向C C和和R RL L反向放電，使輸出電壓反向放電，使輸出電壓的極性與輸入電壓相反。的極性與輸入電壓相反。3.4 升降壓變換電路升降壓變換電路 2）工作原理：（）工作原理：（續(xù)）續(xù)） dUDDU10(3.4.5)上式中，上式中，D為占空比，負(fù)號表示輸出與輸入電壓反相為占空比，負(fù)號表示輸出與輸入電壓反相當(dāng)當(dāng)D=0.5時，時，U0=Ud；當(dāng)當(dāng)0.5DUd，為升壓變換；，為升壓變換；當(dāng)當(dāng)0D0.5時，時，U0Ud，為降壓變換。，為降壓變換。可求得輸入

18、輸出電壓關(guān)系為：可求得輸入輸出電壓關(guān)系為：3）工作原理：（）工作原理：（續(xù)）續(xù)）采用前幾節(jié)同樣的分析方法可得采用前幾節(jié)同樣的分析方法可得臨界電感值臨界電感值為：為：變換器的可能運行情況：變換器的可能運行情況： 實際負(fù)載電流實際負(fù)載電流IoIok時，電感電流連續(xù)。時，電感電流連續(xù)。 實際負(fù)載電流實際負(fù)載電流Io = Iok時，電感電流處于臨界連時，電感電流處于臨界連續(xù)。續(xù)。 實際負(fù)載電流實際負(fù)載電流IoIok時，電感電流斷流。時，電感電流斷流。3.4 升降壓變換電路升降壓變換電路dKUfIDDL0021）（(3.4.5)3.6 帶隔離變壓器的直流變換器帶隔離變壓器的直流變換器1 1）能使變換器的

19、輸入電源與負(fù)載之間實現(xiàn)電氣隔）能使變換器的輸入電源與負(fù)載之間實現(xiàn)電氣隔離，提高變換器運行的安全可靠性。離，提高變換器運行的安全可靠性。2）能設(shè)置多個二次繞組輸出幾個電壓大小不同的能設(shè)置多個二次繞組輸出幾個電壓大小不同的直流電壓。直流電壓。1 1、引入變壓器作用：、引入變壓器作用：3.6 帶隔離變壓器的直流變換器帶隔離變壓器的直流變換器3.6.1 反激式（反勵式）變換器反激式（反勵式）變換器圖圖3.6.1 反激式變換器電路與工作波形反激式變換器電路與工作波形工作過程：開關(guān)管導(dǎo)通時，電源將電能轉(zhuǎn)為磁能儲存在工作過程：開關(guān)管導(dǎo)通時，電源將電能轉(zhuǎn)為磁能儲存在電感中，當(dāng)開關(guān)管阻斷時再將磁能變?yōu)殡娔軅魉偷?/p>

20、負(fù)載。電感中，當(dāng)開關(guān)管阻斷時再將磁能變?yōu)殡娔軅魉偷截?fù)載。dOUDDNNU112反激式變換器工作在輸出電流連續(xù)的狀態(tài)反激式變換器工作在輸出電流連續(xù)的狀態(tài)下，輸出電壓下，輸出電壓U UO為：為：(3.6.1)與升降壓變換器（與升降壓變換器（Buck-Boost）的輸入輸出電）的輸入輸出電壓公式對比，多了變壓器的匝比。壓公式對比，多了變壓器的匝比。3.6 帶隔離變壓器的直流變換器帶隔離變壓器的直流變換器圖圖3.6.2 正激式變換器電路正激式變換器電路l變換器的輸出電壓為：變換器的輸出電壓為：3.6.2 正激式變換器正激式變換器dODUNNU12(3.6.2)l變換器的輸出電壓為：變換器的輸出電壓為：

21、dODUNNU12(3.6.2)與降壓變換器（與降壓變換器（Buck）的輸入輸出電壓公式對）的輸入輸出電壓公式對比，多了變壓器的匝比。比，多了變壓器的匝比。3.6 帶隔離變壓器的直流變換器帶隔離變壓器的直流變換器3.6.3 推挽式變換器（屬于推挽式變換器（屬于正激式變換器正激式變換器）l圖圖3.6.3 推挽式變換器電路推挽式變換器電路 因為兩個管子交替工作，所以其工作占空比必須小于因為兩個管子交替工作，所以其工作占空比必須小于0.5。實際上就是由兩個正激式變換器組成。實際上就是由兩個正激式變換器組成。兩個開關(guān)管交替導(dǎo)兩個開關(guān)管交替導(dǎo)通和截止。當(dāng)通和截止。當(dāng)T2導(dǎo)通、導(dǎo)通、T1關(guān)斷時，電壓關(guān)斷時

22、，電壓Ud加在原邊繞組加在原邊繞組Np2上，副邊二極管上，副邊二極管D1導(dǎo)通向負(fù)載傳遞能量。當(dāng)導(dǎo)通向負(fù)載傳遞能量。當(dāng)T1導(dǎo)通、導(dǎo)通、T2關(guān)斷時，電壓關(guān)斷時，電壓-Ud(負(fù)號表示與剛才的方向相反負(fù)號表示與剛才的方向相反)加在原加在原邊繞組邊繞組Np1上，副邊二極管上，副邊二極管D2導(dǎo)通向負(fù)載傳遞能量導(dǎo)通向負(fù)載傳遞能量l3.6.4 半橋式變換器半橋式變換器 3.6 帶隔離變壓器的直流變換器帶隔離變壓器的直流變換器圖圖3.6.4 半橋變換電路原理圖半橋變換電路原理圖工作原理：工作原理： 電容電容C1和和C2的容量相等，當(dāng)兩個開關(guān)管的容量相等，當(dāng)兩個開關(guān)管T1、T2都關(guān)斷時，都關(guān)斷時，C1和和C2分得

23、相同的電壓，即兩個電容的中點分得相同的電壓，即兩個電容的中點A的電位是輸?shù)碾娢皇禽斎腚妷喝腚妷篣d的一半。的一半。 Uc1=Uc2= Ud/2. 當(dāng)當(dāng)T1導(dǎo)通、導(dǎo)通、T2關(guān)斷時，加在變壓器原邊的電壓就是關(guān)斷時，加在變壓器原邊的電壓就是Uc1。副邊一個二極管導(dǎo)通向負(fù)載傳遞能量。副邊一個二極管導(dǎo)通向負(fù)載傳遞能量。 當(dāng)當(dāng)T2導(dǎo)通、導(dǎo)通、T1關(guān)斷時，加在變壓器原邊的電壓是關(guān)斷時，加在變壓器原邊的電壓是- Uc2（負(fù)號表示與剛才的方向相反）。副邊另一個二極管導(dǎo)通（負(fù)號表示與剛才的方向相反）。副邊另一個二極管導(dǎo)通向負(fù)載傳遞能量。向負(fù)載傳遞能量。圖圖3.6.5 全橋變換電路全橋變換電路 l3.6.5 全橋變換電路全橋變換電路 3.6 帶隔離變壓器的直流變換器帶隔離變壓器的直流變換器 將半橋電路中的兩個電解電容將半橋電路中的兩個電解電容C1和和C2換成兩只開關(guān)換成兩只開關(guān)管，即可組成圖管，即可組成圖3.6.5所示的全橋電路。所示的全橋電路。工作原理：工作原理：T1、T4同時開關(guān)，