1、3.2.3 boost3.2.3 boost變換器換流及其特性分析變換器換流及其特性分析 -3.2.3.1 boost-3.2.3.1 boost變換器的換流狀態變換器的換流狀態 boost變換器的電路結構如圖3-8a所示，根據其中的開關管和二極管不同通斷組合時，可形成不同的換流狀態，boost變換器不同換流狀態時的換流電路如圖3-8所示 圖3-8b所示開關狀態1時的換流電路開關管VT導通時，二極管VD承受反壓而關斷，此時，輸入電源通過電感L儲能，因此IL增加，從而使電感L中的磁能亦增加，這時的負載僅靠輸出電容C的儲能供電 圖3-8c所示開關狀態2時的換流電路 開關管VT關斷時，由于電感電流不

2、能突變，此時二極管VD導通，且電源Ud和電感L通過二極管VD同時向負載供電，并對輸出電容充電，IL減少 圖3-8d所示開關狀態3時的換流電路 與電流連續時的情況不同，當電感L電流衰減到零以前，若開關管VT還未導通，則電感電流斷續，此時，開關管VT、二極管VD全都關斷，并僅由電容向負載提供能量3.2.3.1 boost3.2.3.1 boost變換器的換流狀態變換器的換流狀態 boost變換器電路工作狀態定義同buck變換器電路 （電流連續，電流斷續，臨界狀態） boost變換器中的緩沖元件是電感L，因此討論boost變換器的電流連續或斷續工作狀態也是針對其中的電感針對其中的電感L而言的 開關狀

3、態開關狀態1、2對應的換流表示了boost變換器電流連續電流連續時的工作過程 開關狀態開關狀態1、2、3對應的換流表示了boost變換器電流電流斷續斷續時的工作過程 3.2.3.1 boost3.2.3.1 boost變換器的換流狀態變換器的換流狀態boost變換器中電感電流連續電流連續時的相關波形如圖3-8e所示 3.2.3.1 boost3.2.3.1 boost變換器的換流狀態變換器的換流狀態boost變換器中電感電流斷續電流斷續時的相關波形如圖3-8f所示 3.2.3.1 boost3.2.3.1 boost變換器的換流狀態變換器的換流狀態 1穩態電壓增益GV boost變換器的穩態電

4、壓增益指：穩態條件下，變換器輸出平均電壓Uo與輸入平均電壓Ui的比值，即GVUo/Ui。 由于boost變換器中的緩沖元件是電感L，對電感L利用伏秒平衡特性進行分析得 式（3-19）onsioonitTUUTU3.2.3.2 3.2.3.2 電流連續時的電流連續時的boostboost變換器變換器 基本特性分析基本特性分析 令PWM占空比D= ton/ Ts，則從式（3-19）可求出boost變換器的電感電流連續時的穩態電壓增益GV為 式（3-20） 由于D1，即boost變換器的穩態電壓增益GV1，因此boost變換器具有升壓特性，并且變換器的穩態輸出平均電壓與（1D）成反比 oVi11UG

5、UD=-3.2.3.2 3.2.3.2 電流連續時的電流連續時的boostboost變換器變換器 基本特性分析基本特性分析 2穩態電流增益GI boost變換器的穩態電流增益是指：穩態條件下，變換器輸出電流平均Io與輸入平均電流Ii的比值，即GIIo/Ii。 由于討論的是無損的理想變換器，變換器的輸入輸出功率平衡，即Ii Ui=Io Uo，這樣，由式（3-20）易求出boost變換器電感電流連續時的的穩態電流增益GI為 由于D1，即boost變換器的穩態電流增益GI1，因此，boost變換器具有減流特性，并且變換器的穩態輸出平均電流Io與（1D）成正比。oIi1IGDI=- 式（3-21）3.

6、2.3.2 3.2.3.2 電流連續時的電流連續時的boostboost變換器變換器 基本特性分析基本特性分析 3穩態電感電流脈動量 由于有限的電感和有限的開關頻率，在穩態條件下，boost變換器的電感電流實際是脈動的如圖3-8e所示 當t0時，開關管VT導通，若電感L、電容C足夠大，此時，電容電壓近似不變，而電感電流iL線性增加sioniLDTLUTLUi3.2.3.2 3.2.3.2 電流連續時的電流連續時的boostboost變換器變換器 基本特性分析基本特性分析 當tD Tston時，電感電流iL增加至最大值ILmax t0ton期間（開關管VT導通期間）的電流增量iL為 式（3-22

7、）sioniLDTLUTLUi3.2.3.2 3.2.3.2 電流連續時的電流連續時的boostboost變換器變換器 基本特性分析基本特性分析 當tton時開關管VT關斷，若電感L、電容C足夠大，電容電壓近似不變，而電感電流iL線性減小 當tTs時，電感電流iL減小至最小值ILmin ttonTs期間（開關管VT關斷期間）的電流增量iL-為 式（3-23）sioonsioL)1 ()(TDLUUtTLUUi3.2.3.2 3.2.3.2 電流連續時的電流連續時的boostboost變換器變換器 基本特性分析基本特性分析 穩態時，iLiL-iL，因此，電感電流最大值ILmax、最小值ILmin

8、分別為 （3-24） （3-25）sooLILmax2)1 (121LfDUDDIiIIsooLILmin2)1 (121LfDUDDIiII3.2.3.2 3.2.3.2 電流連續時的電流連續時的boostboost變換器變換器 基本特性分析基本特性分析3.2.3.2 3.2.3.2 電流連續時的電流連續時的boostboost變換器變換器 基本特性分析基本特性分析 4開關管VT的電流、電壓的定量關系 流過開關管VT的平均電流IS為 ISIiIoD Io/(1D) 流過開關管VT的最大電流ISmax和變換器電感電流最大值ILmax相等，即ISmax ILmax 開關管關斷時所承受的正向電壓等

9、于變換器的輸出電壓 3.2.3.2 3.2.3.2 電流連續時的電流連續時的boostboost變換器變換器 基本特性分析基本特性分析 5二極管VD的電流、電壓的定量關系 穩態時，由于輸出電容的平均電流為零，因此，流過二極管VD的平均電流ID為IDIo 流過二極管VD的最大電流IDmax和變換器電感電流最大值ILmax相等，即IDmaxILmax 二極管VD截止時所承受的反向電壓等于變換器的輸出電壓 buck-boost電路電路設L值很大，C值也很大。使電感電流iL和電容電壓即負載電壓uo基本為恒值。v 基本工作原理 V通時，電源E經V向L供電使其貯能，此時電流為i1。同時，C維持輸出電壓恒定

10、并向負載R供電。 V斷時，L的能量向負載釋放，電流為i2。負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路VDotb)ERLa)CVoti1i2uLuoILi1i2tontoffILILbuck-boost電路電路穩態時，一個周期T內電感L兩端電壓uL對時間的積分為零，即Ttu0L0d所以輸出電壓為：EEtTtEttU1ononoffonoV處于通態uL = EV處于斷態uL = - uooffoontUtE（3-40）3.2.4 cuk3.2.4 cuk變換器換流及其特性分析變換器換流及其特性分析 -3.2.4.1 cuk-3.2.4.1 cuk變換器的換流狀態變換器的

11、換流狀態 cuk變換器的電路結構如圖3-9a所示，根據其中的開關管和二極管不同通斷組合時，可形成不同的換流狀態，cuk變換器不同換流狀態時的等值電路如圖3-9所示如圖3-9b所示開關狀態1時的換流電路當開關管VT導通時二極管VD因承受反壓UC1而關斷，此時，輸入電源通過電感L1儲能，因此iL1增加，從而使電感L1中的磁能亦增加。同時電容C1向電感L2和電容C2充電，并向負載供電，從而使電感L2中的磁能亦增加b)b)3.2.4.1 cuk3.2.4.1 cuk變換器的換流狀態變換器的換流狀態 如圖3-9c所示開關狀態2時的換流電路 當開關管VT關斷時，由于電流連續即iL1iL20，因此二極管VD

12、導通，且電源Ui和電感L1通過二極管VD同時向電容C1充電，電感L1中的磁能減少。與此同時，電感L2通過二極管VD向電容C2充電，并同時向負載供電，使電感L2中的磁能減少 如圖3-9d所示開關狀態3時的換流電路 與電流連續時的情況不同，當iL1iL2衰減到零以前，若開關管VT還未導通則開關管VT、二極管VD全都關斷，并僅由電容向負載提供能量3.2.4.1 cuk3.2.4.1 cuk變換器的換流狀態變換器的換流狀態 電路換流狀態的定義u當iL1iL20時，cuk變換器工作在電流連續狀態u當一段時間中存在iL1iL20，則cuk變換器工作在電流斷續狀態u若只有一瞬時時刻存在iL1iL20，則cu

13、k變換器工作在臨界狀態臨界狀態是電流連續狀態的一種特例 注意：由于圖3-9所示的cuk變換器有兩個緩沖電感元件L1、L2，因此討論cuk變換器的電流連續或斷續工作狀態是針對其中電感L1、L2的電流之和（iL1iL2）而言的。3.2.4.1 cuk3.2.4.1 cuk變換器的換流狀態變換器的換流狀態開關狀態1、2對應的換流表示了cuk變換器電流連續電流連續時的工作過程(即iL1iL20。當其中的開關管VT導通時，二極管VD能瞬時關斷，而當其中的開關管VT關斷時，二極管VD能瞬時導通 )開關狀態1、2、3對應的換流表示了cuk變換器電流斷續電流斷續時的工作過程 3.2.4.1 cuk3.2.4.

14、1 cuk變換器的換流狀態變換器的換流狀態cuk變換器中電感電流連續電感電流連續時的相關波形如圖3-9e所示 3.2.4.1 cuk3.2.4.1 cuk變換器的換流狀態變換器的換流狀態cuk變換器中電感電流斷續電感電流斷續時的相關波形如圖3-9f所示 3.2.4.2 3.2.4.2 電流連續時的電流連續時的cukcuk變換器基本特性變換器基本特性 電流連續時的cuk變換器基本特性是指cuk變換器中緩沖元件電電感感L1、L2的電流之和的電流之和總大于零大于零（iL1iL20）時的變換器基本特性 offontUUtUic1ioffoonoc1)(tUtUU1穩態電壓增益GVcuk變換器的穩態電壓

15、增益是指：穩態條件下，變換器輸出平均電壓Uo與輸入平均電壓Ui的比值，即GVUo/Ui。cuk變換器中有兩個緩沖電感元件L1、L2對電感L1、L2分別利用伏秒平衡特性進行分析得出 （3-37） （3-38）3.2.4.2 3.2.4.2 電流連續時的電流連續時的cukcuk變換器基本特性變換器基本特性 令PWM占空比D= ton/ Ts，則由式（3-37）、（3-38）可求出cuk變換器的電感電流連續時的穩態電壓增益GV為 （3-39） 當1/2D1時，即cuk變換器的穩態電壓增益GV1，則cuk變換器具有升壓特性 當0D1/2時，即cuk變換器的穩態電壓增益GV1，則cuk變換器具有降壓特性

16、 綜上所述，cuk變換器是升降壓變換器升降壓變換器，并且其輸入、輸出電壓具有相反的極性oonioff1VUtDGUtD3.2.4.2 3.2.4.2 電流連續時的電流連續時的cukcuk變換器基本特性變換器基本特性 2穩態電流增益GI cuk變換器的穩態電流增益是指：穩態條件下，變換器輸出電流平均Io與輸入平均電流Ii的比值，即GIIo/Ii。 由于討論的是無損的理想變換器，因此，變換器的輸入輸出功率平衡即Ii Ui=Io Uo，這樣，由式（3-39）易求出cuk變換器電感電流連續時的的穩態電流增益GI為 （3-40） 當1/2D1時，即cuk變換器的穩態電流增益GI 1，則cuk變換器具有增

17、流特性DDttII1onoffio3.2.4.2 3.2.4.2 電流連續時的電流連續時的cukcuk變換器基本特性變換器基本特性 3穩態電感電流脈動量 由于有限的電感和有限的開關頻有限的電感和有限的開關頻率率，穩態條件下cuk變換器電感L1、L2中的電流是脈動的，如圖3-9e所示 在t0ton期間，開關管VT導通，二極管VD關斷，此時若電感L1、L2和開關頻率足夠大，則cuk變換器電感L1、L2中的電流均線性增加，電感L1、L2中的電流增加量分別為iL1+、iL2+s1ion1iL1DTLUtLUis2ion2oc1L2DTLUtLUUi3.2.4.2 3.2.4.2 電流連續時的電流連續時

18、的cukcuk變換器基本特性變換器基本特性 在ttonTs期間，開關管VT關斷，二極管VD導通，此時若電感L1、L2和開關頻率足夠大，則cuk變換器電感L1、L2中的電流均線性減少，即電感L1、L2中的電流減少量分別為IL1、IL23.2.4.2 3.2.4.2 電流連續時的電流連續時的cukcuk變換器基本特性變換器基本特性 穩態時，IL1IL1IL1、IL2IL2IL2 ，因此電感L1、L2電流最大值IL1max、IL2max最小值IL1min、IL2min分別為L2oL2minL2oL2maxL1iL1minL1iL1max21212121IIIIIIIIIIII（3-43）3.2.4.

19、2 3.2.4.2 電流連續時的電流連續時的cukcuk變換器基本特性變換器基本特性 4開關管VT的電流、電壓的定量關系 流過開關管VT的平均電流ITD(Ii+Io) 流過開關管VT的最大電流 ISmax和變換器電感電流最大 值ILmax相等，即ISmaxIL1max+ IL2max 開關管關斷時所承受的正向電壓等于變換器的輸出電壓與輸入電壓之和3.2.4.2 3.2.4.2 電流連續時的電流連續時的cukcuk變換器基本特性變換器基本特性 5二極管VD的電流、電壓的定量關系 流過二極管VD的平均電流ID=(1-D)(Ii+Io) 流過二極管VD的最大電流IDmax和變換器電感電流最大值ILm

20、ax相等，即IDmax IL1max+ IL2max 二極管VD截止時所承受的反向電壓等于變換器的輸出電壓和輸入電壓之和3.3 3.3 復合型復合型DCDCDCDC變換器變換器 之前討論的DCDC變換器實際上是一些基本的基本的DCDC變換器變換器，如果將將DCDC變換器的輸出電壓（變換器的輸出電壓（縱坐標）、輸出電流（橫坐標）構縱坐標）、輸出電流（橫坐標）構成坐標系成坐標系，那么上述各類基本的DCDC變換器由于各自的輸出只能工只能工作在輸出電壓、電流坐標系的一個作在輸出電壓、電流坐標系的一個象限象限，因此可稱為單象限單象限DCDC變換器。變換器。 單象限DCDC變換器的共同特征共同特征就是各自

21、的輸出電壓、電流不可逆各自的輸出電壓、電流不可逆即DCDC變換器的能量不可逆。能量不可逆。 UoIo3.3 3.3 復合型復合型DCDCDCDC變換器變換器 實際應用時能量可逆能量可逆的DCDC變換器在驅動諸如阻感加阻感加反電勢型反電勢型一類的負載（如直流電動機）時是必不可少的 當DCDC變換器的輸出電流輸出電流或或輸出電壓可逆輸出電壓可逆時，變換器可在兩象限運行，因此稱這類DCDC變換器為 兩象限兩象限DCDC變換器變換器 當DCDC變換器的輸出電流、輸出電壓均可逆輸出電流、輸出電壓均可逆時，變換器可在四象限運行，因此稱這類DCDC變換器為 四象限四象限DCDC變換器變換器 3.3 3.3

22、復合型復合型DCDCDCDC變換器變換器 兩兩象限象限DCDC變換器和四象限四象限DCDC變換器的拓撲結構均可由基本的單象限均可由基本的單象限DCDC變換器拓撲組合而成變換器拓撲組合而成 單單象限象限DCDC變換器需要擴大容量擴大容量時，也可以由基本的由基本的單象限單象限DCDC變換器拓撲組合而成變換器拓撲組合而成 一一般將由基本的般將由基本的DCDCDCDC變換器拓撲組合而成的變換器拓撲組合而成的DCDCDCDC變換器統稱為復合型變換器統稱為復合型DCDCDCDC變換器變換器3.3.13.3.1二象限二象限DCDCDCDC變換器變換器 以阻感加反電勢（如直流電動機）型負載為例加以討論電流可逆

23、的二象限DCDC變換器 為了能雙向控制雙向控制DCDC變換器輸出電流，必須采用兩個開關管必須采用兩個開關管以組成一雙橋臂一雙橋臂的DCDC變換器 電流可逆型二象限DCDC變換器上、下橋臂的開關管一般采用互補互補調制驅動模式調制驅動模式（上橋臂通時下橋臂上橋臂通時下橋臂斷、下橋臂通時上橋臂斷斷、下橋臂通時上橋臂斷） 為了緩沖負載的無功緩沖負載的無功設立二極管，常稱為續流續流二極管 3.3.13.3.1二象限二象限DCDCDCDC變換器變換器 輸出電流輸出電流io0且且VT1導通導通過程過程：直流側電源通過VT1向負載供電，輸出電壓uoui，此時輸出電流io增加，負載電感和負載電動勢儲能也增加。由

24、于io0且uo0，因此變流器工作在第一象限 針對圖3-10a所示電路， VT1、VT2采用互補調制驅動模式時的具體換流過程分析如下3.3.13.3.1二象限二象限DCDCDCDC變換器變換器 輸出輸出電流電流io0且且VT1關斷過程關斷過程：由于電感電流不能突變，因此VD2導通續流，輸出電壓uo0，此時盡管采用了雙極型驅動模式而使VT2有驅動信號，但因VT2承受反壓（VD2導通）而不能導通，因此輸出電流減小，負載電感儲能和負載電動勢儲能也減小。由于io0且uo0，因此變流器工作在第一象限3.3.13.3.1二象限二象限DCDCDCDC變換器變換器 輸出輸出電流電流io0且且VT2導通導通過程過

25、程：負載電動勢通過VT2向負載電阻和電感供電，輸出電壓uo0，此時輸出電流io反向增加，負載電感儲能也增加。由于io0且uo0，因此變流器工作在第二象限。3.3.13.3.1二象限二象限DCDCDCDC變換器變換器 輸出輸出電流電流io0且且VT2關斷過程關斷過程：由于電感電流不能突變，因此VD1導通續流，輸出電壓uoui，此時盡管采用了互補驅動模式而使VT1有驅動信號，但因VT1承受反壓（VD1導通）而不能導通，因此輸出電流減小，負載電感儲能和負載電動勢儲能也減小。由于io0且uo0，因此變流器工作在第二象限3.3.13.3.1二象限二象限DCDCDCDC變換器變換器 當電流正向換流電流正向

26、換流時（io0），或VT1導通導通，或VD2導通導通，變換器工作在第一象限第一象限，此時的變換器換流電路實際上是一個buck變換器電變換器電路路，并且變換器向負載提供能量變換器向負載提供能量，換流期間的電壓、電流波形如圖3-10b中t1 t2段所示 3.3.13.3.1二象限二象限DCDCDCDC變換器變換器 當電流反向換流電流反向換流時（io0），或VT2導通導通，或VD1導通導通，變換器工作在第二象限第二象限，此時的變換器換流電路實際上是一個boost變換器電路變換器電路，并且負載向變換器回饋能量負載向變換器回饋能量，換流期間的電壓、電流波形如圖3-10b中t2 t3段所示 3.3.13.

27、3.1二象限二象限DCDCDCDC變換器變換器 小結：u圖3-10a所示的電流可逆型二象限DCDC變換器實際上由一個一個buck變換器電路和一個變換器電路和一個boost變換器電路組合而成變換器電路組合而成，并交替工作交替工作u變換器的輸出電壓極性不變輸出電壓極性不變，而，而電流極性可變電流極性可變，即能量能量能可雙向傳輸能可雙向傳輸u調節斬波占空比就可以控制變換器的輸出平均電壓 3.3.13.3.1二象限二象限DCDCDCDC變換器變換器 注意事項：u為了防止防止3-10a所示變換器上、下橋臂的直通短路直通短路，上、下橋臂的開關管驅動信號中須加入“先關斷后導通”的開關死區開關死區 u圖3-1

28、0所示的電流可逆型二象限DCDC變換器其負載必須為感性負載感性負載，否則，變換器只能工作在第一象限 3.3.23.3.2四象限四象限DCDCDCDC變換器變換器 當需要使DCDC變換器的輸出電壓、電流均可逆輸出電壓、電流均可逆時，就必須設計四象限四象限DCDC變換器 實際上，將兩個對稱工作的二象限對稱工作的二象限DCDC變換器組合組合便可以構成一個四象限DCDC變換器，其電路結構如圖3-11所示。圖3-11 四象限DCDC變換器電路3.3.23.3.2四象限四象限DCDCDCDC變換器變換器 當VT4保持導通保持導通時，利用VT2、VT1進行斬波控制進行斬波控制，則構成了一組電流可逆的二象限DCDC變換器，此時UAB0，變換器運行在一、二象限一、二象限 當VT2保持導通保持導通時，利用VT3、VT4進行斬波控制進行斬波控制，則構成了另一組電流可逆的二象限DCDC變換器，此時UAB0，變換器運行在三、四象限三、四象限四象限DCDC變換器電路是典型的橋式可逆電路典型的橋式可逆電路，具有電流可逆電流可逆和電壓可逆和電壓可逆的特點雙向雙向DCDCDCDC變換器變換器a) 電池充電狀態 b) 電池放電狀態 (Ui-Uo)