第4章直流-直流變換器

主要內容：降壓變換器、升壓變換器、降壓-升壓變換器的拓撲結構、工作原理、在電流連續和斷續模式下的各物理量之間的函數關系；全橋式直流-直流變換器在單極性和雙極性控制方式時的工作原理；影響直流-直流變換器輸出電壓紋波的因素；幾種不同變換器的開關利用率。

4.1簡

介直流-直流變換器也稱為斬波器，通過對電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續地加到負載上，通過改變占空比改變輸出電壓平均值。直流-直流變換器主要有如下幾種基本型式：1.

降壓直流-直流變換器(BuckConverter)2.

升壓直流-直流變換器(BoostConverter)3.

降壓-升壓復合型直流-直流變換器(Buck-BoostConverter)4.

丘克直流-直流變換器

5.全橋式直流-直流變換器(FullBridgeConverter)4.2直流-直流變換器的控制

基本的直流-直流變換器和它的輸出波形

開關管導通時，輸出電壓等于輸入電壓Ud；開關管斷開時，輸出電壓等于0。輸出電壓波形如上圖所示，輸出電壓的平均值Uo為

(4-1)式中

Ts—開關周期D—開關占空比，改變負載端輸出電壓有3種調制方法：1．開關周期Ts保持不變，改變開關管導通時間ton。也稱為脈寬調制(PWM)。2．開關管導通時間ton保持不變，改變開關周期Ts。3.改變開關管導通時間ton，同時也改變開關周期Ts。

方式1的PWM是最常見的調制方式，這主要是因為后2種方式改變了開關頻率，而輸出級濾波器是根據開關頻率設計的，顯然，方式1有較好的濾波效果。

圖4-2(a)是脈寬調制方式的控制原理圖。給定電壓與實際輸出電壓經誤差放大器得到誤差控制信號uco，該信號與鋸齒波信號比較得到開關控制信號，控制開關管的導通和關斷，得到期望的輸出電壓。圖4-2(b)給出了脈寬調制的波形。鋸齒波的頻率決定了變換器的開關頻率。一般選擇開關頻率在幾千赫茲到幾百千赫之間。

按照控制電壓和鋸齒波幅值的關系，開關占空比D可以表示成：

(4-2)直流-直流變換器有兩種不同的工作模式：1.電感電流連續模式2.

電感電流斷續模式在不同的情況下，變換器可能工作在不同的模式。因此，設計變換器和它的控制器參數時，應該考慮這兩種不同的工作模式的特性。

4.3降壓變換器

降壓變換器也稱為Buck變換器，正如名字所定義的，降壓變換器的輸出電壓Uo低于輸入電壓Ud。在實際應用中，有如下問題：1．實際的負載應該是感性的。即使是阻性負載，也總有線路電感，電感電流不能突變，因此，圖4-1的電路可能由于電感上的感應電壓毀壞開關管。采用圖4-3的電路，則電感中儲存的電能可以通過二極管續流釋放給負載；2．在大多數應用中需要的是平穩的直流電壓。而圖4-1的電路輸出電壓在0和Ud間變化。采用由電感和電容組成的低通濾波器可以得到平穩的輸出電壓。

圖4-3降壓變換器電路原理圖

圖(a)所示的輸入電壓Uoi的波形，可以分解成直流分量Uo、具有開關頻率fs的諧波分量，如圖(b)所示。采用由電感和電容組成的低通濾波器的特性如圖(c)所示。低通濾波器的角頻率fc應大大低于開關頻率fs，經過濾波器后的輸出電壓基本上消除了開關頻率造成的紋波。假設輸出端的濾波電容足夠大，則輸出電壓的瞬時值不變，即uo=Uo。在穩態情況下，因為電容電流平均值為0，所以電感電流平均值等于輸出電流平均值Io。

4.3.1電流連續模式時的工作情況

在開關管導通期間ton，輸入電源經電感流過電流，二極管反偏。這導致在電感端有一個正向電壓uL=Ud-Uo，如圖4-5(a)所示。這個電壓引起電感電流iL的線性增加；當開關管關斷時，由于電感中儲存電能，產生感應電勢，使二極管導通，iL經二極管繼續流動，uL=-Uo，電感電流下降，如圖4-5(b)所示。輸出電壓

(4-5)因此，在電流連續模式中，當輸入電壓不變時，輸出電壓Uo隨占空比而線性改變，而與電路其他參數無關。

忽略電路所有元件的能量損耗，則

因此

故有

(4-6)因此，在電流連續模式下，降壓變換器相當于一個直流變壓器，通過控制開關的占空比，可以得到要求的直流電壓。由式(4-6)有，輸入電流平均值Id與輸出電流Io是變比的關系，但當開關管斷開時，瞬時輸入電流從峰值跳變到0，這樣對輸入電源會有較大的諧波存在，因此，在輸入端加入一個適當的濾波器用來消除不必要的電流諧波。

4.3.4輸出電壓紋波

在前面的分析中，假設輸出電容足夠大從而使uo=Uo。然而，實際上，輸出電容值是有限的，因此輸出電壓是有紋波的。在電流連續模式下的輸出電壓的波形如圖4-10所示。電壓紋波的峰-峰值△Uo為:

(4-24)式(4-24)表明：通過選擇輸出端低通濾波器的角頻率fc，使fc<<fs，就可以抑制輸出電壓的紋波。當變換器工作在電流連續模式時，電壓脈動與輸出負載功率無關。對電流斷續模式的情況也可做類似的分析。在開關模式的直流電源系統中，輸出電壓紋波的百分比通常小于1%，因此，在前面的分析中假定uo=Uo是不會影響分析結果的。

4.4升壓變換器

圖4-11升壓變換器電路原理圖

升壓變換器也稱為Boost變換器。正如名字所指的，升壓變換器的輸出電壓總是高于輸入電壓。圖4-11是升壓變換器的電路圖。當開關管導通時，輸入電源的電流流過電感和開關管，二極管反向偏置，輸出與輸入隔離。當開關管斷開時，電感的感應電勢使二極管導通，電感電流iL通過二極管和負載構成回路，由輸入電源向負載提供能量。在下面的穩態分析中，輸出端的濾波電容器被假定為足夠大以確保輸出電壓保持恒定，即uo=Uo。

4.4.1電流連續模式時的工作情況

在穩態時，電感電壓在一個周期內的積分是0，上式的兩邊除以Ts，得：(4-26)假設電路沒有損耗，則Pd=Po，

(4-27)

圖4-12升壓變換器電路的情況(假定iL連續)

4.4.5輸出電壓紋波

在前面的分析中，假設輸出電容足夠大從而使uo=Uo。然而，實際上，輸出電容值是有限的，因此輸出電壓是有紋波的。在電流連續模式下的輸出電壓的波形如圖4-17所示。紋波的峰-峰值為

(4-40)對于電流斷續模式也可作類似分析。

圖4-17升壓變換器的輸出電壓的紋波

4.6全橋式直流-直流變換器

圖4-25全橋式開關模式變換器的電路結構圖

在全橋式直流-直流變換器中，其輸出電壓Uo是極性可變、幅值可控的直流電，輸出電流io的幅值和方向也是可變的。因此，該變換器可以在四個象限運行。同一橋臂的兩個開關管不能同時處于導通狀態，否則就會造成直流短路。在實際中，它們在一個短間隙中都斷開，該間隙稱為邏輯延遲時間。如果變換器的同一橋臂的兩個開關管在任一時刻都不同時處于斷開狀態，則輸出電壓uo完全由開關管的狀態決定。以負直流母線N為參考點，A點的電壓uAN，由如下的開關狀態決定：當VTA+導通時或VDA+導通時，則A點的電壓為：

(4-58a)類似地，當VTA-導通時，或VDA-導通時，則A點的電壓為：

(4-58b)

綜上所述，uAN僅取決于橋臂A是上半部分導通還是下半部分導通，而與負載電流io的方向無關，因此UAN為：

(4-59)式中，ton

和toff分別是VTA+的導通時間和斷開時間，VDVTA+是開關管VTA+的占空比。類似地，

(4-60)因此，輸出電壓Uo(=UAN-UBN)與變換器的開關占空比有關，而與負載電流io的大小和方向無關。如果變換器同一橋臂的兩個開關管同時處于斷開的狀態，則輸出電壓uo由輸出電流io的方向決定。這將引起輸出電壓平均值和控制電壓之間的非線性關系，所以應該避免兩個開關管同時處于斷開的情況發生。

全橋式變換器有兩種PWM的控制方式：1．雙極性PWM控制方式。在該控制方式下，圖4-25中的(VTA+，VTB-)和(VTA-，VTB+)被當作兩對開關管，每對開關管都是同時導通或斷開的。2．單極性PWM控制方式。在該控制方式下，每個橋臂的開關管是單獨控制的。與前面幾節討論過的開關變換器不同，全橋式直流-直流變換器的輸出電流在負載低的時候，也沒有電流斷續模式。

4.6.1雙極性PWM控制方式

在雙極性控制方式中，開關管(VTA+，VTB-)和(VTB+，VTA-)被當作兩對開關管對待，即兩個開關管(VTA+，VTB-)是同時導通和斷開的。同一橋臂的兩個開關管中，總有一個是開通的。開關控制信號是由正負兩個方向變化的三角波與控制電壓uco比較得到的。如圖4-26所示，當uco>utri，VTB+和VTA-斷開，VTA+和VTB-導通；否則VTA+和VTB-斷開，VTB+和VTA-導通。

雙極性控制方式下的工作過程為：在負載電流比較大的情況下，當uco>utri，觸發VTA+和VTB-導通，直流電源經過VTA+、負載和VTB-構成電流回路，輸出電壓uo=Ud，電流上升；當uco<utri，使VTA+和VTB-斷開，觸發VTB+和VTA-，由于是感性負載，電流不能突變，因此負載電流經VDB+和VDA-續流，VTB+和VTA-不能導通，輸出電壓uo=-Ud，同時電流下降；直至下一個周期觸發VTA+和VTB-導通。由此循環往復周期性的工作。

在負載電流較小的情況下，在uco<utri，負載電流經VDB+和VDA-續流，uo=-Ud，續流過程中，電流會下降為0，VDB+和VDA-斷開，則VTB+和VTA-導通，故直流輸入電源Ud經過VTB+、負載和VTA-構成電流回路，電流變負。當uco>utri，控制信號使VTB+和VTA-斷開，觸發VTA+和VTB-，由于電感電流不能突變，因此負載電流經VDA+和VDB-續流，使VTA+和VTB-不能導通，uo=Ud，同時電流上升，直至電流上升到0，VDA+和VDB-斷開，VTA+和VTB-導通，由此循環往復周期性的工作。

圖4-26雙極性PWM方式時的工作波形

輸出電壓Uo、占空比D、控制電壓uco之間的函數關系

(4-66)將式(4-64)代入式(4-66)中得：

(4-67)式中

式(4-67)表明，與前面介紹的變換器相似，全橋式開關模式變換器輸出電壓平均值與輸入控制信號是線性關系。事實上，當考慮同一橋臂的兩個開關管有導通延遲時間時，輸出電壓Uo與控制電壓uco的關系有輕微的非線性。

輸出電壓的波形顯示輸出電壓從+Ud變到-Ud。這就是為什么稱這種控制方式為雙極性PWM控制方式的原因。當控制電壓uco的大小和極性變化時，式(4-64)中的占空比D1從0到1之間變化，輸出電壓平均值Uo在-Ud到+Ud之間變化。當Io>0時，平均功率從輸入Ud向輸出Uo傳遞；當Io<0時，平均功率從輸出Uo向輸入Ud傳遞。

4.6.2單極性控制方式的PWM

三角波與控制電壓uco和-uco進行比較以便分別確定橋臂A和橋臂B的開關信號。其控制規則如下:如果uco>utri，則關斷VTA-，觸發VTA+

(4-68a)如果uco<utri，則關斷VTA+，觸發VTA-

(4-68b)如果-uco>utri，則關斷VTB-，觸發VTB+

(4-69a)如果-uco<utri，則關斷VTB+，觸發VTB-

(4-69b)

單極性控制方式的工作過程為：在負載電流比較大的情況下，當uco>utri，且-uco<utri，觸發VTA+和VTB-導通，輸入電源Ud經過VTA+、負載和VTB-構成電流回路，uo=-Ud，電流上升；當uco<utri，使VTA+斷開，觸發VTA-，但由于是感性負載，電流不能突變，因此負載電流經VDA-和VTB-續流，使VTA-不能導通，uo=0，同時電流下降；當uco>utri，且-uco<utri，觸發VTA+和VTB-導通，輸入電源Ud經過VTA+、負載和VTB-構成電流回路，uo=-Ud，電流上升；當-uco>utri，使VTB-斷開，觸發VTB+，由于是感性負載，電流不能突變，因此負載電流經VTA+和VDB+續流，使VTB+不能導通，uo=0，同時電流下降；直至下一個周期觸發VTA+和VTB-導通。由此循環往復周期性的工作。

圖4-27單極性PWM方式時的工作波形

輸出電壓平均值Uo為

(4-72)由式(4-72)可以看出，單極性控制方式的輸出電壓平均值Uo與控制電壓uco成線性關系。當Io>0時，平均功率從輸入Ud向輸出Uo傳遞；當Io<0時，平均功率從輸出Uo向輸入Ud傳遞。

如果兩種控制方式的開關頻率相同，則由于單極性脈寬調制控制方式的輸出電壓波形的頻率是雙極性脈寬調制控制方式的2倍，因此前者有著較好的頻率響應和較小的輸出電壓紋波。

(a)雙極性控制方式：輸出電壓紋波為：

(4-74)(b)單極性控制方式：輸出電壓紋波為：

(4-77)圖4-28中給出了在雙、單極性控制方式下輸出電壓紋波Ur，rms/Ud與占空比D的函數關系曲線。由圖可見，單極性控制方式有著較小的輸出電壓紋波。

圖4-28輸出電壓紋波Ur，rms與輸出電壓Uo的函數關系曲線

4.7直流-直流變換器的比較

圖4-29不同的直流-直流變換器的開關利用率

從圖4-29可以看出，升壓變換器和降壓變換器的開關利用率比較高，復合型變換器和全橋式變換器的開關利用率很低。因此，從變換器的開關利用率考慮，通常采用升壓變換器或降壓變換器。只有在要求輸出電壓在比輸入電壓高和低的范圍調節，或者要求有負的輸出電壓時，考慮采用復合型變換器。只有要求變換器必須在四個象限運行時，才使用全橋式直流-直流變換器。

4.8直流開關電源的應用

直流-直流變換器主要應用在可調的直流電源和電機驅動系統中。在直流電機驅動系統中，一般不加隔離變壓器，因此前幾節介紹的幾種主要直流-直流變換器可以直接應用在電機驅動系統中；而開關模式直流電源通常需要加入隔離變壓器，直流開關電源常常需要滿足下面的要求：1．當輸入電壓和負載變化時，輸出電壓必須能在容差范圍內保持不變或輸出電壓可調。2．輸出與輸入之間需要電氣隔離。3．某些場合可能要求有多路輸出電壓，有些場合要求各輸出間也要電氣隔離。

4.8.1帶有電氣隔離的直流-直流變換器

輸入交流電經二極管整流器整流成不可調的直流電壓。在輸入處用了一個抑制電磁干擾的濾波器來避免電磁干擾。直流-直流變換器把固定的直流電經脈寬調制變換成高頻脈沖電壓，然后通過隔離變壓器副邊的整流和濾波電路得到直流電壓Uo。由PWM控制器驅動直流-直流變換器的開關管，通