直流-直流变换器.ppt

第4章直流-直流变换器主要内容：

降压变换器、升压变换器、降压-升压变换器的拓扑结构、工作原理、在电流连续和断续模式下的各物理量之间的函数关系；
全桥式直流-直流变换器在单极性和双极性控制方式时的工作原理；
影响直流-直流变换器输出电压纹波的因素；
几种不同变换器的开关利用率。4.1简介直流-直流变换器也称为斩波器，通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比改变输出电压平均值。
直流-直流变换器主要有如下几种基本型式：
1.降压直流-直流变换器(BuckConverter)
2.升压直流-直流变换器(BoostConverter)
3.降压-升压复合型直流-直流变换器(Buck-BoostConverter)
4.丘克直流-直流变换器
5.全桥式直流-直流变换器(FullBridgeConverter)4.2直流-直流变换器的控制基本的直流-直流变换器和它的输出波形开关管导通时，输出电压等于输入电压Ud；开关管断开时，输出电压等于0。输出电压波形如上图所示，输出电压的平均值Uo为

(4-1)
式中Ts—开关周期
D—开关占空比，

改变负载端输出电压有3种调制方法：
1．开关周期Ts保持不变，改变开关管导通时间ton。也称为脉宽调制(PWM)。
2．开关管导通时间ton保持不变，改变开关周期Ts。
3.改变开关管导通时间ton，同时也改变开关周期Ts。方式1的PWM是最常见的调制方式，这主要是因为后2种方式改变了开关频率，而输出级滤波器是根据开关频率设计的，显然，方式1有较好的滤波效果。

图4-2(a)是脉宽调制方式的控制原理图。给定电压与实际输出电压经误差放大器得到误差控制信号uco，该信号与锯齿波信号比较得到开关控制信号，控制开关管的导通和关断，得到期望的输出电压。图4-2(b)给出了脉宽调制的波形。锯齿波的频率决定了变换器的开关频率。一般选择开关频率在几千赫兹到几百千赫之间。按照控制电压和锯齿波幅值的关系，开关占空比D可以表示成：

(4-2)

直流-直流变换器有两种不同的工作模式：
1.电感电流连续模式
2.电感电流断续模式

在不同的情况下，变换器可能工作在不同的模式。因此，设计变换器和它的控制器参数时，应该考虑这两种不同的工作模式的特性。4.3降压变换器降压变换器也称为Buck变换器，正如名字所定义的，降压变换器的输出电压Uo低于输入电压Ud。

在实际应用中，有如下问题：
1．实际的负载应该是感性的。即使是阻性负载，也总有线路电感，电感电流不能突变，因此，图4-1的电路可能由于电感上的感应电压毁坏开关管。采用图4-3的电路，则电感中储存的电能可以通过二极管续流释放给负载；
2．在大多数应用中需要的是平稳的直流电压。而图4-1的电路输出电压在0和Ud间变化。采用由电感和电容组成的低通滤波器可以得到平稳的输出电压。图4-3降压变换器电路原理图图(a)所示的输入电压Uoi的波形，可以分解成直流分量Uo、具有开关频率fs的谐波分量，如图(b)所示。采用由电感和电容组成的低通滤波器的特性如图(c)所示。低通滤波器的角频率fc应大大低于开关频率fs，经过滤波器后的输出电压基本上消除了开关频率造成的纹波。假设输出端的滤波电容足够大，则输出电压的瞬时值不变，即uo=Uo。在稳态情况下，因为电容电流平均值为0，所以电感电流平均值等于输出电流平均值Io。4.3.1电流连续模式时的工作情况忽略电路所有元件的能量损耗，则
因此
故有
(4-6)

因此，在电流连续模式下，降压变换器相当于一个直流变压器，通过控制开关的占空比，可以得到要求的直流电压。
由式(4-6)有，输入电流平均值Id与输出电流Io是变比的关系，但当开关管断开时，瞬时输入电流从峰值跳变到0，这样对输入电源会有较大的谐波存在，因此，在输入端加入一个适当的滤波器用来消除不必要的电流谐波。4.3.4输出电压纹波在前面的分析中，假设输出电容足够大从而使uo=Uo。然而，实际上，输出电容值是有限的，因此输出电压是有纹波的。在电流连续模式下的输出电压的波形如图4-10所示。
电压纹波的峰-峰值△Uo为:

(4-24)

式(4-24)表明：通过选择输出端低通滤波器的角频率fc，使fc<<fs，就可以抑制输出电压的纹波。当变换器工作在电流连续模式时，电压脉动与输出负载功率无关。对电流断续模式的情况也可做类似的分析。
在开关模式的直流电源系统中，输出电压纹波的百分比通常小于1%，因此，在前面的分析中假定uo=Uo是不会影响分析结果的。4.4升压变换器图4-11升压变换器电路原理图升压变换器也称为Boost变换器。正如名字所指的，升压变换器的输出电压总是高于输入电压。图4-11是升压变换器的电路图。

当开关管导通时，输