第3章DC-DC變換電路

1、Power Electronics第3章 DC-DC 變換器主要內(nèi)容：v 3.1 3.1 概述概述v 3.23.2 單管非隔離變換電路單管非隔離變換電路v 3.3 3.3 單管隔離式變換電路單管隔離式變換電路v 3.4 3.4 多管變換電路多管變換電路v 3.5 3.5 雙向雙向DC-DCDC-DC變換器變換器v 3.6 3.6 軟開(kāi)關(guān)變換器軟開(kāi)關(guān)變換器Power Electronics常用常用DC/DCDC/DC變換器拓?fù)渥儞Q器拓?fù)鋯尉w管功率電路單晶體管功率電路多晶體管功率電路多晶體管功率電路輸入輸出不隔離輸入輸出不隔離輸入輸出隔離輸入輸出隔離單端式單端式雙端式雙端式降壓式降壓式升壓式升壓

2、式升降壓式升降壓式本章討論電壓型變換器，即輸入輸出都是直流電壓本章討論電壓型變換器，即輸入輸出都是直流電壓 Power Electronics 學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn): :電路拓?fù)潆娐吠負(fù)?工作原理工作原理 外特性外特性 參數(shù)計(jì)算參數(shù)計(jì)算Power Electronics3.1 概述圖3-1 線性穩(wěn)壓電源 線性穩(wěn)壓電源：線性穩(wěn)壓電源：通過(guò)將輸入和輸出功率通過(guò)將輸入和輸出功率/ /電壓的差值電壓的差值消耗在穩(wěn)壓電路上來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓消耗在穩(wěn)壓電路上來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓 ioioUUPPIiIoPower Electronics圖3-2 斬波電路和開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)電源：開(kāi)關(guān)電源：1 1）斬波調(diào)節(jié)輸出電壓（直流分量）

3、斬波調(diào)節(jié)輸出電壓（直流分量） 2 2）濾波得到平滑直流輸出電壓）濾波得到平滑直流輸出電壓TtTTtUuononio00ionTioUTTdtUTUon01 理想L、C和開(kāi)關(guān)元件不消耗功率,所以理論效率100Power Electronics圖3-3 DC-DC變換器的6種基本拓?fù)?a) Buck (b) Boost (c) Buck-Boost (d) Cuk (e) Zeta (f) SEPICPower Electronics3.2 3.2 單管非隔離變換電路單管非隔離變換電路v 3.2.1 Buck變換器變換器v 3.2.2 Boost變換器變換器v 3.2.3 升降壓式變換器升降壓式變

4、換器v 3.2.4 6種基本拓?fù)涞谋容^種基本拓?fù)涞谋容^Power Electronics圖3-4 理想Buck變換器Q主開(kāi)關(guān)管VD續(xù)流二極管L, C輸出濾波電 感電容3.2.1 Buck3.2.1 Buck變換器變換器Q: on offPower Electronics 工作原理工作原理圖3-5 一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的等效電路Q導(dǎo)通、VD關(guān)斷 (b) Q關(guān)斷、VD導(dǎo)通 (c) Q和VD都關(guān)斷定義：定義：開(kāi)關(guān)周期開(kāi)關(guān)周期 T=Ton+Toff開(kāi)關(guān)頻率開(kāi)關(guān)頻率 f=1/T占空比占空比 D=Ton/TPower Electronics(1) 電感電流連續(xù)模式電感電流連續(xù)模式(CCM)Q on（導(dǎo)通）期間：

5、（導(dǎo)通）期間：i(3-2)onLonLoiTiLdtdiLUUPower ElectronicsQ off（關(guān)斷）期間：（關(guān)斷）期間：(3-3)ioffLoffLoTiLdtdiLUPower Electronics穩(wěn)態(tài)時(shí)穩(wěn)態(tài)時(shí) iLon=-iLoff=iL 代入（代入（3-1）（）（33），得），得 Uo=DUi (3-4) 由于占空比由于占空比D1，因此，因此Uo Ui 圖圖3-4稱為降壓式（稱為降壓式（Buck）變換器。）變換器。Power Electronics(2) 電感電流臨界連續(xù)模式電感電流臨界連續(xù)模式 (CRM)臨界連續(xù)時(shí)的負(fù)載電流臨界連續(xù)時(shí)的負(fù)載電流 IG : IGiL02I

6、Gt將將(3-2)、(3-4)代入代入(3-5)，得：，得：(3-6)12GLIiIL=(3-5)D=0.5時(shí)，時(shí)，IG 最大，且最大，且LTUIiG8max(3-7)LTDDUIiG2)1 ( Power Electronics(3) 電感電流斷續(xù)模式電感電流斷續(xù)模式 (DCM)iiQ導(dǎo)通、VD關(guān)斷 (b) Q關(guān)斷、VD導(dǎo)通 (c) Q和VD都關(guān)斷(3-2)(3-3)iiL=0圖3-8 Buck變換器工作波形(DCM)onLonLoiTiLdtdiLUU11offLoffLoTiLdtdiLUPower Electronics)(2111offonLLoTTiTIILLoffLoniii1o

7、nooioffTUUUT1穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載電流穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載電流Io等于電感電流平均值等于電感電流平均值IL,代入式（代入式（3-2）和（）和（3-8）,（3-9）（3-10）Power ElectronicsoiLonooionLoUDUiTUUUTTiI2)(2)4/(112maxDIIUUGoio式（式（3-1）（）（3-10）代入式（）代入式（3-9），并整理，得），并整理，得再將式（再將式（3-2）（）（3-7)代入（代入（3-11），整理可得），整理可得 DCM Buck變換器的輸出電壓與負(fù)載有關(guān)變換器的輸出電壓與負(fù)載有關(guān)（3-11）Power Electronics2. Buck變換器理想

8、條下的外特性變換器理想條下的外特性 定義：在一定占空比下，變換器的定義：在一定占空比下，變換器的輸出輸出電壓與電壓與輸出輸出電電流流( (這里實(shí)際上是平均電流這里實(shí)際上是平均電流) )的關(guān)系稱為變換器的外特性的關(guān)系稱為變換器的外特性(I )ooDUfPower Electronics由式由式(3-4)和和(3-12), 得理想得理想Buck變換器外特性變換器外特性:連續(xù)即電感電流斷續(xù)或臨界連續(xù)即電感電流連續(xù)或臨界,)4/(11,2maxGoGoGoioIIDIIIIDUU（3-14）Power Electronics圖3-9 理想Buck變換器的標(biāo)幺外特性Io/IGmaxPower Elect

9、ronics3. 開(kāi)關(guān)器件應(yīng)力分析開(kāi)關(guān)器件應(yīng)力分析 1) 開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)管Q 最大電壓為最大電壓為Ui 峰值電流為峰值電流為 isP=IL+iL/2= Io+iL/2 =Io+Uo(1-D)T/(2L) 負(fù)載相同時(shí)，負(fù)載相同時(shí)，Ui最高時(shí)最高時(shí)isp最大最大Power Electronics2) 二極管二極管VD 最大電壓為最大電壓為Ui 電流有效值電流有效值: 2011OFTDrmsooII dtIDTPower Electronics1) 電感電感L 設(shè)臨界連續(xù)點(diǎn)負(fù)載電流為設(shè)臨界連續(xù)點(diǎn)負(fù)載電流為Iomin，將，將IG=Iomin代入代入(3-6)，得，得min(1)2ioU TDDLI4. 輸

10、出濾波參數(shù)設(shè)計(jì)輸出濾波參數(shù)設(shè)計(jì)Power Electronics2) 電容電容C（按理想電容考慮）（按理想電容考慮）iL=Io+ icIoi交流分量根據(jù)要求的輸出電壓紋波設(shè)計(jì)根據(jù)要求的輸出電壓紋波設(shè)計(jì)ic0時(shí)電容充電，icUi，故稱：升壓式，故稱：升壓式(Boost)變換器變換器代入（代入（3-17）（）（3-18），可推導(dǎo)出），可推導(dǎo)出Power ElectronicsiL圖3-14 Boost變換器工作波形(CRM)(2) 電感電流臨界連續(xù)模式電感電流臨界連續(xù)模式Q Q 導(dǎo)通期間：導(dǎo)通期間：Q Q 關(guān)斷期間：關(guān)斷期間：(3-17)(3-18)onLonLiTiLdtdiLUoffLoffL

11、oiTiLdtdiLUUPower Electronics 負(fù)載電流負(fù)載電流Io等于二極管電流的平均值等于二極管電流的平均值ID， 臨界連續(xù)時(shí)的負(fù)載電流臨界連續(xù)時(shí)的負(fù)載電流Io用用IG表示表示LoffTTLDGiTTdtiTIIon2111iLtiDiL 0 0IoID0 Ton T)1 (21DiLPower ElectronicsLTDDUIiG2)1 ( maxGILTUi8將式（將式（3-17）代入上式，可得）代入上式，可得可見(jiàn)，當(dāng)可見(jiàn)，當(dāng)D0.5時(shí)，時(shí)，IG最大，為：最大，為： （3-21）（3-20）Power Electronics(3) 電感電流斷續(xù)模式電感電流斷續(xù)模式Q Q

12、導(dǎo)通導(dǎo)通VDVD關(guān)斷：關(guān)斷：Q Q 關(guān)斷關(guān)斷VDVD導(dǎo)通：導(dǎo)通：Q Q 和和D D都關(guān)斷：都關(guān)斷： iL=0穩(wěn)態(tài) -iLoff1=iLon=iL圖3-15 Boost變換器工作波形(DCM)iL111offLoffLoffoiTiLdtdiLUUonLonLiTiLdtdiLUPower Electronics（3-23）負(fù)載電流負(fù)載電流Io等于二極管平均電流等于二極管平均電流ID 11211offLoffoTiTIIo)(22ioLUUTiL再將式（再將式（3-17）（）（3-21）代入上式，可得）代入上式，可得oGioIDIUU/412maxPower Electronics2. Boos

13、t2. Boost變換器理想條件下的外特性變換器理想條件下的外特性 連續(xù)即電感電流斷續(xù)或臨界連續(xù)即電感電流連續(xù)或臨界,/411,12maxGooGGooiIIIDIIIDUUPower Electronics圖3-16 理想Boost變換器的標(biāo)幺外特性Io/IGmax Io0時(shí)，時(shí)，Uo D1時(shí)，時(shí)，UoPower Electronics3.3.開(kāi)關(guān)器件應(yīng)力分析開(kāi)關(guān)器件應(yīng)力分析1）開(kāi)關(guān)管）開(kāi)關(guān)管QVD導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí)Q承受最大（正向）電壓承受最大（正向）電壓Uo。Q的電流峰值的電流峰值isp等于電感電流（也是輸入電流）峰值等于電感電流（也是輸入電流）峰值電感電流連續(xù)時(shí)電感電流連續(xù)時(shí)LTDDUDIi

14、oosp2)1 (1Power Electronics 2）二極管）二極管VD Q導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí)VD承受最大電壓承受最大電壓Uo。 輸出電流輸出電流Io是二極管電流是二極管電流iD的平均值，忽略電感電流紋的平均值，忽略電感電流紋波，即二極管電流的波形則近似為流通時(shí)間為波，即二極管電流的波形則近似為流通時(shí)間為(1-D)T、幅、幅度為度為Io/(1-D)的矩形波，可得的矩形波，可得 二極管電流有效值二極管電流有效值DIIoDrms1Power Electronics4. 4. 輸出濾波參數(shù)設(shè)計(jì)輸出濾波參數(shù)設(shè)計(jì)1）電感值）電感值L和和Buck變換器一樣，電感變換器一樣，電感L根據(jù)允許的電感電流紋波或根

15、據(jù)允許的電感電流紋波或臨界連續(xù)負(fù)載電流臨界連續(xù)負(fù)載電流Iomin（即工作在連續(xù)模式的最小負(fù)載電（即工作在連續(xù)模式的最小負(fù)載電流）來(lái)設(shè)計(jì)流）來(lái)設(shè)計(jì)令令I(lǐng)G=Iomin，由式（，由式（3-20)，有，有min2)1 (oiIDTDULPower Electronics2) 電容電容C根據(jù)要求的輸出電壓紋波根據(jù)要求的輸出電壓紋波Uo設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)： D關(guān)斷期間，電容向負(fù)載關(guān)斷期間，電容向負(fù)載RL放電、輸出電壓下降。放電、輸出電壓下降。 一般電路時(shí)間常數(shù)一般電路時(shí)間常數(shù)RLC遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開(kāi)關(guān)周期，因此可遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開(kāi)關(guān)周期，因此可以認(rèn)為電容電壓線性下降以認(rèn)為電容電壓線性下降CRTUULonooooLPUR2ooo

16、oLoUUDTPURDTUC故故而而Power Electronics內(nèi)容內(nèi)容: 拓?fù)渫負(fù)?工作原理分析特性工作原理分析特性: on/off等效電路等效電路狀態(tài)方程狀態(tài)方程 參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)幾個(gè)特點(diǎn)幾個(gè)特點(diǎn): 1. iin=iL ; Io=ID 2. 峰值電流峰值電流: iQ 、iD 和和 iL相同相同 3. 輸入電流紋波小而輸出電流紋波大輸入電流紋波小而輸出電流紋波大.BoostBoost變換器變換器: :小結(jié)小結(jié)Power Electronics1. Buck-Boost1. Buck-Boost變換器的工作原理和特性變換器的工作原理和特性(CCM)(CCM)圖3-17 理想Buck-Bo

17、ost變換器及其等效電路(CCM)Buck-Boost變換器 (b) Q導(dǎo)通、VD關(guān)斷 (c) Q關(guān)斷、VD導(dǎo)通3.2.3 3.2.3 升降壓式變換器升降壓式變換器Power Electronics0)(offooniTUTUioUDDU1 D0.5時(shí)，Uo/Ui0.5時(shí)，Uo/Ui1對(duì)電感應(yīng)用伏對(duì)電感應(yīng)用伏-秒平衡原理：秒平衡原理：（3-25）即即故稱：故稱： 升升/降式變換器降式變換器Power Electronics2. Cuk2. Cuk變換器的工作原理變換器的工作原理圖3-18 Cuk變換器ioUDDU1升升/降式變換器降式變換器Power Electronics3.2.4 63.2

18、.4 6種基本拓樸的比較種基本拓樸的比較變換器拓?fù)渥儞Q器拓?fù)漭敵鲚敵?輸入電壓輸入電壓變換比變換比Uo/Ui輸入電流輸入電流紋波紋波輸出電流輸出電流紋波紋波BuckD大大小小Boost1/(1D)小小大大Buck-BoostD/(1D)大大大大CukD/(1D)小小小小SEPICD/(1D)小小大大ZetaD/(1D)大大小小Power Electronics3.3 3.3 單管隔離式變換電路單管隔離式變換電路v 3.3.1 單端反激變換器單端反激變換器v 3.3.2 單端正激變換器單端正激變換器Power Electronics1. 1. 工作原理工作原理圖3-19 單端反激變換器 T兼有隔

19、離和儲(chǔ)能兼有隔離和儲(chǔ)能電感的作用，故稱電感的作用，故稱為電感為電感-變壓器變壓器 根據(jù)電感根據(jù)電感-變壓器的變壓器的儲(chǔ)能是否連續(xù)，反儲(chǔ)能是否連續(xù)，反激變換器有連續(xù)和激變換器有連續(xù)和斷續(xù)兩種工作模式斷續(xù)兩種工作模式定義變壓器匝比n=N1/N23.3.1 3.3.1 單端反激（單端反激（FlybackFlyback）變換器）變換器Power Electronics（1）連續(xù)模式）連續(xù)模式圖3-20 反激變換器主要波形(CCM) 電感電感-變壓器二次變壓器二次繞組電流繞組電流i2（也即（也即電感電感-變壓器儲(chǔ)能）變壓器儲(chǔ)能）在二極管續(xù)流狀態(tài)在二極管續(xù)流狀態(tài)結(jié)束（即結(jié)束（即Q將要再將要再次開(kāi)通）時(shí)尚未

20、下次開(kāi)通）時(shí)尚未下降到零降到零 Power Electronics001offooniTTnUTUdtu)1 (DnDUUio對(duì)變壓器對(duì)變壓器T的一次繞組應(yīng)用伏秒平衡原理的一次繞組應(yīng)用伏秒平衡原理反激變換器是隔離式的升降壓式變換器反激變換器是隔離式的升降壓式變換器可得 （3-28）Power Electronics另一種分析方法（另一種分析方法（CCM），）， 參見(jiàn)圖參見(jiàn)圖3-20 ：ononiTiLdtdiLU1111offoffoTiLdtdiLU2222Q導(dǎo)通、導(dǎo)通、VD關(guān)斷期間關(guān)斷期間式中L1和i1分別表示T原邊電感和電流，i1on=i1m-i1n（3-30） （3-29）Q關(guān)斷、關(guān)斷

21、、VD導(dǎo)通期間導(dǎo)通期間式中L2和i2分別表示T副邊電感和電流,i2off=i2n-i2mPower Electronics根據(jù)磁元件的安匝數(shù)不能突變，在根據(jù)磁元件的安匝數(shù)不能突變，在Q導(dǎo)通和關(guān)斷的轉(zhuǎn)導(dǎo)通和關(guān)斷的轉(zhuǎn)換時(shí)刻，有換時(shí)刻，有 i1mN1=i2mN2，i1nN1=i2nN2所以所以 i1on N1=-i2off N2 （3-31)又又222121NNLL由式（由式（3-29）（）（3-32）也可以導(dǎo)出（）也可以導(dǎo)出（3-28）式）式（3-32)Power Electronics（2）臨界連續(xù)模式）臨界連續(xù)模式 圖3-21 (a) 臨界連續(xù)模式主要波形電感電感-變壓器副邊變壓器副邊繞組電流

22、繞組電流i2 （也即（也即電感電感-變壓器儲(chǔ)能）變壓器儲(chǔ)能）在二極管續(xù)流狀態(tài)在二極管續(xù)流狀態(tài)結(jié)束（即結(jié)束（即Q將要再將要再次開(kāi)通）時(shí)次開(kāi)通）時(shí)剛好剛好下下降到零降到零 Power Electronics)1)(212DiIIoffDG12)1 (LTnDDUIiG1max8LTnUIiG 負(fù)載電流負(fù)載電流Io等于二極管電流平均值等于二極管電流平均值ID 臨界連續(xù)時(shí)的臨界連續(xù)時(shí)的Io用用IG表示表示也是當(dāng)也是當(dāng)D0.5時(shí)，時(shí)，IG最大，為：最大，為：Power Electronics（3）斷續(xù)模式）斷續(xù)模式Q再次導(dǎo)通之前再次導(dǎo)通之前i2已經(jīng)下降到零已經(jīng)下降到零 Toff1圖3-21 (b) 斷續(xù)

23、模式主要波形Power Electronics12)(211offoffoTiTIoiGnUUDI2max4)4/(max2GoioIIDUnU反激變換器在斷續(xù)模式下的標(biāo)幺外特性反激變換器在斷續(xù)模式下的標(biāo)幺外特性12222offoffoTiLdtdiLUononiTiLdtdiLU1111i1on N1=-i2off N2 Power Electronics圖3-22 理想反激變換器的標(biāo)幺外特性曲線Power Electronics 反激變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在小功率隔離電源中應(yīng)反激變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在小功率隔離電源中應(yīng)用廣泛，為減小電感用廣泛，為減小電感-變壓器的體積，變壓器的體積，一般設(shè)計(jì)其電一般

24、設(shè)計(jì)其電感值較小，令變換器在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都工作在斷續(xù)感值較小，令變換器在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都工作在斷續(xù)模式。模式。Power Electronics2. 2. 器件應(yīng)力分析和參數(shù)設(shè)計(jì)器件應(yīng)力分析和參數(shù)設(shè)計(jì)只分析斷續(xù)工作模式只分析斷續(xù)工作模式Q最大正向電壓最大正向電壓 Ui+nUoQ電流峰值電流峰值DUPDUPDIiioiiisp2/22式中式中Ii，Po，分別為輸入平均電流、輸出功率和效率分別為輸入平均電流、輸出功率和效率Power Electronics132offoDrmsTTII VD最大反向電壓最大反向電壓 Ui/n+Uo VD電流有效值電流有效值如果設(shè)計(jì)變換器在最大負(fù)載下臨界連續(xù)，則此

25、時(shí)如果設(shè)計(jì)變換器在最大負(fù)載下臨界連續(xù)，則此時(shí) Toff1=(1-D)TDIIoDrms1132Power Electronics設(shè)計(jì)反激變換器工作在斷續(xù)模式，即最大負(fù)載電流設(shè)計(jì)反激變換器工作在斷續(xù)模式，即最大負(fù)載電流Iom不大于臨界連續(xù)負(fù)載電流不大于臨界連續(xù)負(fù)載電流IG，則要求變壓器一次側(cè)，則要求變壓器一次側(cè)激磁電感激磁電感omoInDTUL2)1 (221濾波電容濾波電容C的設(shè)計(jì)與的設(shè)計(jì)與Boost變換器同理變換器同理Power ElectronicsFlyback變換器特點(diǎn)變換器特點(diǎn): 簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單(T兼作兼作L)，輸入電壓范圍寬，輸入電壓范圍寬， 輸入輸出輸入輸出電流紋波都大，電流紋波都大，

26、Q電壓應(yīng)力高電壓應(yīng)力高 適于小功率應(yīng)用適于小功率應(yīng)用 單端隔離式單端隔離式DC-DC變換器，變換器，“單端單端”的含義是指，的含義是指，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，直流輸入功率只從變壓器原邊繞組在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，直流輸入功率只從變壓器原邊繞組的一端流入。單端隔離式變換器的主要缺點(diǎn)是：功率只的一端流入。單端隔離式變換器的主要缺點(diǎn)是：功率只在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間DT內(nèi)輸入變壓器，變壓器磁芯只在內(nèi)輸入變壓器，變壓器磁芯只在B-H平面第一象限運(yùn)行，因此磁芯不能得到充分利用。平面第一象限運(yùn)行，因此磁芯不能得到充分利用。Power Electronics3.3.2 3.3.2 單端正激（單端正激（Forw

27、ardForward）變換器）變換器圖3-23 單端正激變換器電路拓?fù)涠x n=N1/N2 N1：一次繞組：一次繞組N2：二次繞組：二次繞組N3：復(fù)位繞組：復(fù)位繞組Power ElectronicsQ導(dǎo)通 續(xù)流磁復(fù)位 續(xù)流 （磁復(fù)位結(jié)束） 連續(xù)模式（即濾波電感電流連續(xù)）下的工作模態(tài)連續(xù)模式（即濾波電感電流連續(xù)）下的工作模態(tài)Power Electronics圖3-24 正激變換器主要工作波形（CCM）Power Electronics對(duì)電感對(duì)電感L列寫(xiě)伏秒平衡方程列寫(xiě)伏秒平衡方程(Ui/n-Uo)DT-Uo(1-D)T=0故故 nDUUio/正激變換器屬于降壓式變換器正激變換器屬于降壓式變換器

28、（3-38）Power Electronics1NTUonion3NTURiR311NNND正向磁化正向磁化磁復(fù)位磁復(fù)位保證完全磁復(fù)位、避免磁飽和，即保證完全磁復(fù)位、避免磁飽和，即 TRToff onRPower ElectronicsiiUNNU3132NNUi12NNUiQ、VD1、VD2和和VD3 承受的最大電壓應(yīng)力分別為承受的最大電壓應(yīng)力分別為iiUNNU13，Power Electronics3.4 3.4 多管變換電多管變換電路路v 3.4.1 推挽變換器推挽變換器v 3.4.2 半橋變換器半橋變換器v 3.4.3 全橋變換器全橋變換器v 3.4.4 隔離式隔離式DC-DC PWM

29、變換器比較變換器比較Power Electronics3.4.13.4.1推挽（推挽（Push-PullPush-Pull）變換器）變換器圖3-25 推挽式DC-DC變換器 定義：定義： N11=N12=N1 N21=N22=N2 n=N1/N2 Q1和和Q2以相同的占以相同的占空比空比D交替導(dǎo)通交替導(dǎo)通 Power Electronics1) 0tTon2) TontT/23) T/2tT/2+Ton4) T/2+TontT在電感電流連續(xù)模式，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)有四個(gè)階段：在電感電流連續(xù)模式，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)有四個(gè)階段： Power Electronics（1）0tTon：Q1導(dǎo)通、導(dǎo)通、Q2關(guān)斷

30、關(guān)斷，輸入電壓加在，輸入電壓加在N11繞繞組、變壓器正向磁化，組、變壓器正向磁化， “ ”端為正，端為正， VD3導(dǎo)通，導(dǎo)通，VD4截截止，止，A點(diǎn)電位為點(diǎn)電位為Ui/n，iL上升；上升；磁通由磁通由-m變化到變化到m。（2）TontT/2：Q1、Q2都關(guān)斷都關(guān)斷，變壓器二次繞組電，變壓器二次繞組電壓消失。電感壓消失。電感L電流不能突變，迫使電流不能突變，迫使VD3和和VD4同時(shí)導(dǎo)通同時(shí)導(dǎo)通續(xù)流，若忽略激磁電流，則每個(gè)整流管流過(guò)續(xù)流，若忽略激磁電流，則每個(gè)整流管流過(guò)iL/2，A點(diǎn)電點(diǎn)電位為零，電感電流位為零，電感電流iL下降。下降。 N21和和N22繞組流過(guò)極性相反的電流，使變壓器被短繞組流過(guò)

31、極性相反的電流，使變壓器被短路（端電壓為零），保持路（端電壓為零），保持磁芯磁通不變磁芯磁通不變(=m)，激磁電，激磁電流通過(guò)二次繞組流通，且在本階段保持不變。流通過(guò)二次繞組流通，且在本階段保持不變。Power Electronics（3）T/2tT/2+Ton：Q2導(dǎo)通、導(dǎo)通、Q1關(guān)斷，輸入電壓加在關(guān)斷，輸入電壓加在N12繞組、變壓器反向磁化，電勢(shì)均繞組、變壓器反向磁化，電勢(shì)均“ ”端為負(fù)，端為負(fù)，VD4導(dǎo)導(dǎo)通，通，VD3截止截止, 電感電流電感電流iL上升；磁芯磁通由上升；磁芯磁通由m變化到變化到-m。（4）T/2+TontT：Q1和和Q2都關(guān)斷，都關(guān)斷，VD3和和VD4同時(shí)導(dǎo)同時(shí)導(dǎo)通續(xù)流

32、，每個(gè)整流管流過(guò)通續(xù)流，每個(gè)整流管流過(guò)iL/2，變壓器短路，保持磁芯磁，變壓器短路，保持磁芯磁通不變通不變(=-m)；iL下降。下降。Power Electronics圖3-26 推挽式DC-DC變換器主要波形(CCM)Ui/nPower Electronics電感電流電感電流iL的波動(dòng)頻率是的波動(dòng)頻率是Q1、Q2開(kāi)關(guān)頻率的兩倍，開(kāi)關(guān)頻率的兩倍，即即2f（f=1/T）nDUUio/2式中式中D是是Q1或或Q2的占空比，的占空比，D=Ton/T，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)Q1和和Q2各導(dǎo)通一次，各導(dǎo)通一次，D0.5Power Electronics 推挽變換器的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管推挽變換器的兩個(gè)開(kāi)關(guān)

33、管Q1和和Q2不能同時(shí)導(dǎo)通，否則，不能同時(shí)導(dǎo)通，否則，變壓器變壓器一次一次繞組被短路、使輸入電源被短路。繞組被短路、使輸入電源被短路。 開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)管Q1和和Q2的所承受的電壓應(yīng)力是輸入電壓的兩倍，的所承受的電壓應(yīng)力是輸入電壓的兩倍，實(shí)際電路由于變壓器的漏感，開(kāi)關(guān)管實(shí)際承受的電壓應(yīng)力實(shí)際電路由于變壓器的漏感，開(kāi)關(guān)管實(shí)際承受的電壓應(yīng)力更高，所以推挽變換器不適合用于高壓輸入的場(chǎng)合；更高，所以推挽變換器不適合用于高壓輸入的場(chǎng)合； Q1或或Q2導(dǎo)通時(shí)，一次電流回路中只有一個(gè)管壓降，所以導(dǎo)通時(shí)，一次電流回路中只有一個(gè)管壓降，所以推挽變換器適合于低壓大電流輸入應(yīng)用。推挽變換器適合于低壓大電流輸入應(yīng)用。 反并

34、二極管反并二極管VD1和和VD2用于為激磁電流提供通路及在開(kāi)用于為激磁電流提供通路及在開(kāi)關(guān)瞬間避免變壓器漏感造成的電壓尖峰。關(guān)瞬間避免變壓器漏感造成的電壓尖峰。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：Power Electronics3.4.23.4.2半橋變換器半橋變換器圖3-27 半橋式DC-DC變換器 C1=C2 Q1和和Q2以相同的以相同的占空比占空比D交替導(dǎo)通交替導(dǎo)通 定義定義n=N1/N2Power Electronics1) 0tTon2) TontT/23) T/2tT/2+Ton4) T/2+TontT在電感電流連續(xù)模式，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)有四個(gè)階段：在電感電流連續(xù)模式，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)有四個(gè)階段：Powe

35、r Electronics（1）0tTon：Q1導(dǎo)通、導(dǎo)通、Q2關(guān)斷，變壓器一次電壓關(guān)斷，變壓器一次電壓uAB為為Ui/2、“”端為正。二次側(cè)端為正。二次側(cè)VD1導(dǎo)通，導(dǎo)通，VD2截止，電感截止，電感電流電流iL上升；變壓器磁芯磁通由上升；變壓器磁芯磁通由-m變化到變化到m。 輸入電流通過(guò)輸入電流通過(guò)Q1流入變壓器，再流過(guò)流入變壓器，再流過(guò)C2回到電源負(fù)回到電源負(fù)端。端。C2充電、充電、C1放電，放電，B點(diǎn)電位略上升，但由于電容值點(diǎn)電位略上升，但由于電容值很大，所以很大，所以B點(diǎn)電位紋波很小、可以忽略。點(diǎn)電位紋波很小、可以忽略。（2）TontT/2：Q1和和Q2都關(guān)斷，與推挽變換器同理，都關(guān)斷

36、，與推挽變換器同理，一次側(cè)電流為零，副邊一次側(cè)電流為零，副邊VD3和和VD4同時(shí)導(dǎo)通續(xù)流、各流同時(shí)導(dǎo)通續(xù)流、各流過(guò)一半電感電流過(guò)一半電感電流(忽略激磁電流忽略激磁電流)，變壓器短路、保持磁，變壓器短路、保持磁芯磁通不變（芯磁通不變（=m）。電感電流）。電感電流iL下降。下降。Power Electronics（3）T/2t T/2+Ton：Q2導(dǎo)通、導(dǎo)通、Q1關(guān)斷，變壓器原邊電關(guān)斷，變壓器原邊電壓壓Ui/2、但、但“”端為負(fù)。副邊端為負(fù)。副邊VD2導(dǎo)通，導(dǎo)通，VD1反偏截止，電反偏截止，電感電流感電流iL上升；變壓器磁通由上升；變壓器磁通由m變化到變化到-m。 C1充電、充電、C2放電。放電。

37、B點(diǎn)電位略下降。點(diǎn)電位略下降。（4）T/2+TontT：Q1和和Q2都關(guān)斷，都關(guān)斷，VD3和和VD4同時(shí)導(dǎo)同時(shí)導(dǎo)通續(xù)流；變壓器磁芯磁通保持在通續(xù)流；變壓器磁芯磁通保持在-m。Power Electronics圖3-28 半橋式DC-DC變換器連續(xù)模式主要工作波形忽略忽略C1、C2電壓紋波電壓紋波Power Electronics電感電流的波動(dòng)頻率也是電感電流的波動(dòng)頻率也是Q1、Q2開(kāi)關(guān)頻率的兩倍，電開(kāi)關(guān)頻率的兩倍，電壓傳輸比壓傳輸比nDUUio/式中式中D為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T內(nèi)內(nèi)Q1或或Q2的占空比，的占空比，D=Ton/T，如圖如圖3-28，D0.5Power Electronic

38、s 半橋電路中開(kāi)關(guān)管承受的電壓僅為半橋電路中開(kāi)關(guān)管承受的電壓僅為Ui，是推挽電路的，是推挽電路的一半。一半。 Q1、Q2不能同時(shí)導(dǎo)通，否則將電源短路，將造成晶體不能同時(shí)導(dǎo)通，否則將電源短路，將造成晶體管損壞。管損壞。C1、C2的電容值影響電容中點(diǎn)電位的紋波電壓的電容值影響電容中點(diǎn)電位的紋波電壓但不影響其平均電壓。但不影響其平均電壓。 為保證變壓器對(duì)稱磁化、避免偏磁，為保證變壓器對(duì)稱磁化、避免偏磁，Q1和和Q2必須對(duì)稱必須對(duì)稱工作，而且工作，而且C1和和C2的電容值也必須盡量接近。的電容值也必須盡量接近。特點(diǎn)：特點(diǎn)：Power Electronics3.4.3 3.4.3 全橋變換器全橋變換器圖

39、3-29 全橋變換器Power Electronics全橋變換器的調(diào)制：全橋變換器的調(diào)制： 可以令可以令Q1、Q4和和Q2、Q3兩組開(kāi)關(guān)管分別以占空比兩組開(kāi)關(guān)管分別以占空比D交替導(dǎo)通，在變壓器原邊交替導(dǎo)通，在變壓器原邊uAB得到電壓得到電壓Ui、0和和-Ui。 移相控制（見(jiàn)移相控制（見(jiàn)3.6節(jié)）節(jié)）Power Electronics 橋式變換器中晶體管承受的電壓與半橋一樣，為輸橋式變換器中晶體管承受的電壓與半橋一樣，為輸入電壓，流過(guò)晶體管的電流，在相同的輸出功率時(shí)，全入電壓，流過(guò)晶體管的電流，在相同的輸出功率時(shí)，全橋是半橋的一半。與推挽電路比較，橋式電路中晶體管橋是半橋的一半。與推挽電路比較，

40、橋式電路中晶體管承受的電壓為電源電壓，而推挽中為電源電壓的兩倍；承受的電壓為電源電壓，而推挽中為電源電壓的兩倍；橋式輸出可以有變壓器，也可沒(méi)有變壓器，推挽則必須橋式輸出可以有變壓器，也可沒(méi)有變壓器，推挽則必須具有變壓器。另外加在變壓器初級(jí)的電壓，推挽只一個(gè)具有變壓器。另外加在變壓器初級(jí)的電壓，推挽只一個(gè)晶體管飽和電壓，而橋式為兩個(gè)，因此推挽電路適用于晶體管飽和電壓，而橋式為兩個(gè)，因此推挽電路適用于低輸入電壓場(chǎng)合，而橋式電路適用于高輸入電壓。低輸入電壓場(chǎng)合，而橋式電路適用于高輸入電壓。特點(diǎn)：特點(diǎn)：Power Electronics圖3-30 整流濾波電路(a) 變壓器中心抽頭整流電路 (b) 橋

41、式整流電路 (c) 倍流整流電路 橋式整流整流管承受的電壓應(yīng)力最低，適于高壓輸出；橋式整流整流管承受的電壓應(yīng)力最低，適于高壓輸出； 倍流電路整流管和濾波電感承受的電流應(yīng)力最小，變壓倍流電路整流管和濾波電感承受的電流應(yīng)力最小，變壓器也沒(méi)有中心抽頭，適于低壓大電流輸出。器也沒(méi)有中心抽頭，適于低壓大電流輸出。 其它整流電路形式：其它整流電路形式：Power Electronics3.4.4 3.4.4 隔離式隔離式DC-DC PWMDC-DC PWM變換器比較變換器比較單端式雙端式正激反激推挽半橋全橋Uo/UinD/nD/(1-D)n)2D/nD/n2D/n主開(kāi)關(guān)管最大電壓應(yīng)力2Ui注1Ui+nUo

42、2UiUiUi注注1 在圖在圖3-23 N3N1條件下條件下表表3-2 隔離式隔離式DC-DC開(kāi)關(guān)變換器比較開(kāi)關(guān)變換器比較n =N1/N2, N1和和N2分別為變壓器原邊和副邊繞組匝數(shù)分別為變壓器原邊和副邊繞組匝數(shù)Power Electronics圖3-31 Bi Buck-Boost變換器3.5 3.5 雙向雙向DC-DCDC-DC變換器變換器Power Electronics方式方式I：Buck方式方式 能量從能量從U1至至U2，電感電流，電感電流iL平均值為正平均值為正 輸出電壓輸出電壓U2DBuckU1，式中，式中DBuck為為Q1的占空比的占空比 圖3-32 Bi Buck-Boos

43、t變換器電流波形(a) 方式Q1 on Q2 on VD2 off VD1 offPower Electronics方式方式II：Boost方式方式 能量從能量從U2至至U1，電流，電流iL為負(fù)為負(fù) 輸出電壓輸出電壓U1U2/(1-DBoost)，式中，式中DBoost為為Q2的占空比。的占空比。 由于由于Q2、Q1互補(bǔ)工作，因此互補(bǔ)工作，因此DBoost1-DBuck 圖3-32 Bi Buck-Boost變換器電流波形(b) 方式IIPower Electronics方式方式III：交替方式：交替方式BuckDUU12BoostDUU1121 DBuck為為Q1的占空比，的占空比，DBoo

44、st為為Q2的占空比的占空比 Q1和和Q2互補(bǔ)導(dǎo)通，互補(bǔ)導(dǎo)通，DBoost1-DBuck 一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)iL正負(fù)交替正負(fù)交替或Power Electronics交替方式下：交替方式下：minmaxLLiiminmaxLLiiminmaxLLii一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電感電流一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電感電流iL平均平均值為零，這表示在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)從值為零，這表示在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)從U1流向流向U2的能量等于從的能量等于從U2反向流入反向流入U(xiǎn)1的能量，即平均傳遞功率為零。的能量，即平均傳遞功率為零。平均功率從平均功率從U1向向U2側(cè)傳輸側(cè)傳輸平均功率從平均功率從U2向向U2側(cè)傳輸。側(cè)傳輸。Pow

45、er Electronics3.6 3.6 軟開(kāi)關(guān)變換器軟開(kāi)關(guān)變換器v 3.6.1 準(zhǔn)諧振變換器準(zhǔn)諧振變換器v 3.6.2 ZVS-PWM和和ZCS-PWM變換器變換器v 3.6.3 ZT-PWM變換器變換器v 3.6.4 移相控制全橋變換器移相控制全橋變換器v 3.6.5 有源鉗位軟開(kāi)關(guān)變換器有源鉗位軟開(kāi)關(guān)變換器v 3.6.7 廣義軟開(kāi)關(guān)廣義軟開(kāi)關(guān)PWM技術(shù)技術(shù)Power Electronics圖3-34 硬開(kāi)關(guān)過(guò)程圖3-35 理想零開(kāi)關(guān)過(guò)程開(kāi)關(guān)電壓開(kāi)關(guān)電壓/電流波形不電流波形不交疊的技術(shù)，即所謂零交疊的技術(shù)，即所謂零電壓電壓/零電流開(kāi)關(guān)技術(shù)零電流開(kāi)關(guān)技術(shù) 功率管在開(kāi)關(guān)過(guò)程中功率管在開(kāi)關(guān)過(guò)程

46、中,其端電壓其端電壓和流過(guò)的電流波形有交疊，因而和流過(guò)的電流波形有交疊，因而有很大的瞬時(shí)開(kāi)關(guān)損耗有很大的瞬時(shí)開(kāi)關(guān)損耗 Power Electronics 應(yīng)用應(yīng)用LC諧振原理諧振原理，使開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)器件中電流使開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)器件中電流(或或電壓電壓)按準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流自然過(guò)零時(shí)，使器件開(kāi)通按準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流自然過(guò)零時(shí)，使器件開(kāi)通和關(guān)斷，稱為零電流諧振開(kāi)關(guān)，簡(jiǎn)稱和關(guān)斷，稱為零電流諧振開(kāi)關(guān)，簡(jiǎn)稱零電流開(kāi)關(guān)零電流開(kāi)關(guān)（ZCS，Zero Current Switch）；或電壓為零時(shí)）；或電壓為零時(shí),使器件開(kāi)通和關(guān)斷，使器件開(kāi)通和關(guān)斷，稱為稱為零電壓開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS，Zero V

47、oltage Switch） 3.6.1 3.6.1 準(zhǔn)諧振變換器準(zhǔn)諧振變換器 諧振開(kāi)關(guān)由半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)和電感、電容組成諧振開(kāi)關(guān)由半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)和電感、電容組成 若在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)有諧振運(yùn)行區(qū)間、也有非諧振運(yùn)行若在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)有諧振運(yùn)行區(qū)間、也有非諧振運(yùn)行區(qū)間，則稱為準(zhǔn)諧振變換器（區(qū)間，則稱為準(zhǔn)諧振變換器（QRC，Quasi Resonant Converter）。）。Power Electronics 諧振開(kāi)關(guān)單元代替諧振開(kāi)關(guān)單元代替PWM變換器中的單個(gè)開(kāi)關(guān)，可以變換器中的單個(gè)開(kāi)關(guān)，可以組成各種準(zhǔn)諧振變換器。組成各種準(zhǔn)諧振變換器。 圖圖3-36 a)、b)分別表示分別表示Buck型型ZCS

48、和和ZVS半波準(zhǔn)諧振半波準(zhǔn)諧振變換器變換器 (QRC，Quasi-Resonant Converter)，虛線框內(nèi)，虛線框內(nèi)為為ZCS或或ZVS諧振開(kāi)關(guān)諧振開(kāi)關(guān) 諧振電感諧振電感Lr包括電路中可能有的雜散電感和變壓器包括電路中可能有的雜散電感和變壓器漏感，諧振電容漏感，諧振電容Cr包括功率開(kāi)關(guān)管結(jié)電容。包括功率開(kāi)關(guān)管結(jié)電容。 Power Electronics圖3-36 Buck型半波準(zhǔn)諧振變換器(a) ZCS-QRC (b) ZVS-QRCPower Electronics 為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)輸出濾波電感很大，忽略電感電流紋為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)輸出濾波電感很大，忽略電感電流紋波、電感等效為恒流源波

49、、電感等效為恒流源Io 一個(gè)開(kāi)關(guān)周期可分為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期可分為4個(gè)工作模態(tài)個(gè)工作模態(tài) 設(shè)設(shè)Q開(kāi)通前開(kāi)通前VD流過(guò)負(fù)載電流流過(guò)負(fù)載電流Io，此時(shí)，此時(shí)UVD0、Ucr=Ui tt0時(shí)開(kāi)通時(shí)開(kāi)通Q。以圖以圖3-36a ZCS-QRC Buck變換器為例，分析工作原理：變換器為例，分析工作原理：Power Electronics模態(tài)模態(tài)I： tott1, 線性階段線性階段 t=to時(shí)時(shí)D處于續(xù)流狀態(tài)、流過(guò)電流處于續(xù)流狀態(tài)、流過(guò)電流Io； Lr上感應(yīng)電勢(shì)為上感應(yīng)電勢(shì)為Ui，流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流ids線性上升，線性上升，tt1時(shí)升至?xí)r升至Io模態(tài)模態(tài)II： t1tt2， 諧振階段諧振階段tt1

50、時(shí)輸入電流時(shí)輸入電流ids升至升至Io，因此，因此D電流下降到零而截止。電流下降到零而截止。LrCr諧振、諧振、ids繼續(xù)上升，繼續(xù)上升，ids除供給負(fù)載電流除供給負(fù)載電流Io外，還以外，還以ids-Io對(duì)電容對(duì)電容Cr反向諧振充電，到反向諧振充電，到tt2時(shí)，時(shí)，ids0，由于，由于VDr的作的作用、用、ids不能反向流動(dòng)、維持為零，不能反向流動(dòng)、維持為零，Q相當(dāng)于關(guān)斷相當(dāng)于關(guān)斷Power Electronics模態(tài)模態(tài)III： t2tt3， 恢復(fù)階段恢復(fù)階段ids0時(shí)關(guān)斷時(shí)關(guān)斷Q。電容。電容Cr以以Io恒流充電、電壓恒流充電、電壓ucr線性上升，線性上升，并在并在tt3時(shí)上升到時(shí)上升到Ui

51、。此階段電壓源。此階段電壓源Ui向負(fù)載供電向負(fù)載供電模態(tài)模態(tài)IV： t3tt4， 續(xù)流階段續(xù)流階段當(dāng)當(dāng)ucr上升到上升到Ui時(shí)，續(xù)流管時(shí)，續(xù)流管VD導(dǎo)通續(xù)流導(dǎo)通續(xù)流調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)Q關(guān)斷時(shí)間、即調(diào)節(jié)續(xù)流時(shí)間，就可以控制輸出電壓關(guān)斷時(shí)間、即調(diào)節(jié)續(xù)流時(shí)間，就可以控制輸出電壓Power Electronics圖3-37 Buck型半波準(zhǔn)諧振變換器工作波形(a) ZCS-QRC (b) ZVS-QRCPower Electronics通過(guò)以上分析，還可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于通過(guò)以上分析，還可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于ZCSQRC：（1）開(kāi)關(guān)管上承受較大的電流應(yīng)力。）開(kāi)關(guān)管上承受較大的電流應(yīng)力。（2）開(kāi)關(guān)頻率與負(fù)載）開(kāi)關(guān)頻率與負(fù)載Io

52、、Uo/Ui等有關(guān)，換言之，需等有關(guān)，換言之，需要變頻控制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。要變頻控制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。Power Electronics3.6.2 ZVS-PWM3.6.2 ZVS-PWM和和ZCS-PWMZCS-PWM變換器變換器 在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程工作在在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程工作在準(zhǔn)諧振方式準(zhǔn)諧振方式、達(dá)到零電流或零、達(dá)到零電流或零電壓開(kāi)關(guān)，而在導(dǎo)通和關(guān)斷期間（即一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的電壓開(kāi)關(guān)，而在導(dǎo)通和關(guān)斷期間（即一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的大部分時(shí)間）工作在大部分時(shí)間）工作在PWM方式方式，這就是零電壓（，這就是零電壓（ZVS）-PWM和零電流（和零電流（ZCS）-PWM變換器變換器 Power Electronics圖3-38

53、 Buck ZCS-PWM變換器 在基本在基本Buck變換器（圖變換器（圖3-4）的基礎(chǔ)上增加了）的基礎(chǔ)上增加了ZVS輔助單元，輔助單元，圖中圖中Lr、Cr分別為諧振電感和諧振電容，分別為諧振電感和諧振電容，Q1為輔助開(kāi)關(guān)（體二為輔助開(kāi)關(guān)（體二極管極管VD1） i1Power Electronics工作原理分析：工作原理分析：假設(shè)：假設(shè)： 電路已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，輸出濾波電感工很大、在開(kāi)關(guān)過(guò)程電路已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，輸出濾波電感工很大、在開(kāi)關(guān)過(guò)程中流過(guò)電感電流不變，可以看作恒流源中流過(guò)電感電流不變，可以看作恒流源Io。一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。一個(gè)開(kāi)關(guān)周期可分為可分為6個(gè)工作模態(tài)個(gè)工作模態(tài) tt0時(shí)時(shí)Q和和Q1關(guān)斷、

54、負(fù)載電流關(guān)斷、負(fù)載電流Io由由VD續(xù)流。續(xù)流。tt0時(shí)開(kāi)通主時(shí)開(kāi)通主管管QPower Electronics模態(tài)模態(tài)I: tott1， 線性階段線性階段tt0時(shí)時(shí)Q開(kāi)通、開(kāi)通、Q1仍關(guān)斷。仍關(guān)斷。VD續(xù)流、續(xù)流、uVD0，VD1截止、截止、ucr0。電流。電流i1線性上升、線性上升、iD(iD=Io-i1)線性下降線性下降 tt1時(shí)時(shí)iD下降為零，下降為零，D截止，截止，i1=Io 模態(tài)模態(tài)II: t1tt2 準(zhǔn)諧振階段準(zhǔn)諧振階段VD截止后，端電壓上升，使截止后，端電壓上升，使VD1導(dǎo)通。導(dǎo)通。Lr和和Cr諧振，諧振，i1按按正弦半波變化，當(dāng)正弦半波變化，當(dāng)tt2時(shí)時(shí)i1又降至又降至Io、uc

55、r充電到充電到2Ui，VD1截止截止Power Electronics模態(tài)模態(tài)III： t2tt3， PWM階段階段此階段主管此階段主管Q導(dǎo)通，與導(dǎo)通，與PWM變換器變換器Ton狀態(tài)相同狀態(tài)相同模態(tài)模態(tài)IV： t3tt4， 準(zhǔn)諧振階段（準(zhǔn)諧振階段（ZCS）在主管在主管Q關(guān)斷之前，開(kāi)通輔助管關(guān)斷之前，開(kāi)通輔助管Q1，Lr與與Cr諧振，諧振，Cr放電、放電、i1減?。p小（i1Io-icr），并變負(fù)流過(guò)），并變負(fù)流過(guò)Q的體二極管的體二極管VD2。在。在i1過(guò)零后關(guān)斷過(guò)零后關(guān)斷Q，i1諧振由負(fù)回升、諧振由負(fù)回升、tt4時(shí)回零。時(shí)回零。Q零電流零電流關(guān)斷。由于此時(shí)關(guān)斷。由于此時(shí)ucr尚未下降到零，所以

56、尚未下降到零，所以Q端電壓端電壓uds突變突變?yōu)闉閁i-ucrPower Electronics模態(tài)模態(tài)V： t4tt5， 恒流放電階段恒流放電階段Q關(guān)斷后，關(guān)斷后，Cr以恒流以恒流Io放電、放電、ucr線性下降直至零、線性下降直至零、uds線性線性上升直至上升直至Ui。模態(tài)模態(tài)VI： t5tt6， 續(xù)流階段續(xù)流階段ucr降至零并試圖反向時(shí)、續(xù)流管降至零并試圖反向時(shí)、續(xù)流管VD導(dǎo)通，進(jìn)入導(dǎo)通，進(jìn)入PWM續(xù)流續(xù)流階段，此時(shí)可關(guān)斷輔助管階段，此時(shí)可關(guān)斷輔助管Q1（ZCS）。）。Power Electronics圖3-40 Buck ZCS-PWM變換器工作波形i1Power Electronics

57、由以上分析可見(jiàn)，由以上分析可見(jiàn)，與準(zhǔn)諧振變換器相比，與準(zhǔn)諧振變換器相比，ZS-PWM 變換器增加了一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)，來(lái)控制變換器在一個(gè)開(kāi)變換器增加了一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)，來(lái)控制變換器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)交替運(yùn)行于準(zhǔn)諧振方式和關(guān)周期內(nèi)交替運(yùn)行于準(zhǔn)諧振方式和PWM方式，實(shí)現(xiàn)方式，實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管的零電流或零電壓開(kāi)關(guān)、低應(yīng)力和主開(kāi)關(guān)管的零電流或零電壓開(kāi)關(guān)、低應(yīng)力和PWM控控制。制。Power Electronics3.6.3 ZT-PWM3.6.3 ZT-PWM變換器變換器 ZVS和和ZCS-PWM變換器的諧振元件串聯(lián)在主電路變換器的諧振元件串聯(lián)在主電路內(nèi)，因此零開(kāi)關(guān)條件與電源電壓、負(fù)載電流的變化范圍內(nèi)，因此零開(kāi)關(guān)條件

58、與電源電壓、負(fù)載電流的變化范圍有關(guān)，輕載下有可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)零開(kāi)關(guān)有關(guān)，輕載下有可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)零開(kāi)關(guān) 零轉(zhuǎn)換（零轉(zhuǎn)換（ZT, Zero Transition）-PWM變換器變換器，諧振網(wǎng)，諧振網(wǎng)絡(luò)與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)，從而擴(kuò)大了滿足絡(luò)與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)，從而擴(kuò)大了滿足ZVS或或ZCS條件的負(fù)條件的負(fù)載或電網(wǎng)變化范圍載或電網(wǎng)變化范圍 零轉(zhuǎn)換變換器也有兩類：零電流轉(zhuǎn)換（零轉(zhuǎn)換變換器也有兩類：零電流轉(zhuǎn)換（ZCT，Zero Current Transition）和零電壓轉(zhuǎn)換（）和零電壓轉(zhuǎn)換（ZVT，Zero Voltage Transition）Power Electronics 主開(kāi)關(guān)主開(kāi)關(guān)Q并聯(lián)一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)，由諧振電

59、容并聯(lián)一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)，由諧振電容Cr(包括包括Q的輸出電容的輸出電容)、諧振電感、諧振電感Lr、輔助開(kāi)關(guān)、輔助開(kāi)關(guān)Q 及二極管及二極管VD 組組成。成。 輔助開(kāi)關(guān)輔助開(kāi)關(guān)Q 先于主開(kāi)關(guān)先于主開(kāi)關(guān)Q導(dǎo)通，使諧振網(wǎng)絡(luò)工作，導(dǎo)通，使諧振網(wǎng)絡(luò)工作，電容電容C電壓電壓(即主開(kāi)關(guān)電壓即主開(kāi)關(guān)電壓)諧振下降到零，創(chuàng)造了主開(kāi)諧振下降到零，創(chuàng)造了主開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)通條件。關(guān)零電壓開(kāi)通條件。舉例：舉例：圖圖3-41 Boost 型型ZVT-PWM變換器變換器Power Electronics3.6.43.6.4移相控制全橋變換器移相控制全橋變換器 移相全橋移相全橋(PS FB，Phase-Shifting Full B

60、ridge) ZVS-PWM變換器是目前應(yīng)用最為廣泛的軟開(kāi)關(guān)變換器之一。變換器是目前應(yīng)用最為廣泛的軟開(kāi)關(guān)變換器之一。在移相控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用功率在移相控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用功率MOS管的輸出電管的輸出電容和變壓器的漏電感（或外加諧振電感）作為諧振元件，容和變壓器的漏電感（或外加諧振電感）作為諧振元件，使使FB PWM變換器四個(gè)開(kāi)關(guān)管依次在零電壓下開(kāi)通。電變換器四個(gè)開(kāi)關(guān)管依次在零電壓下開(kāi)通。電路簡(jiǎn)單，適用于較大功率應(yīng)用場(chǎng)合。路簡(jiǎn)單，適用于較大功率應(yīng)用場(chǎng)合。Power Electronics Q1、Q2、Q3、Q4四個(gè)開(kāi)關(guān)依次四個(gè)開(kāi)關(guān)依次ZV開(kāi)開(kāi)通，通，Q1和和Q3的開(kāi)通的開(kāi)通相位分別超前于相