直流-直流變換器第一頁，共155頁。第一章直流/直流變換器1.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)1.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)1.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)1.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)1.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器#1.6開關直流電源的控制第二頁，共155頁。1.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)1.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)1.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)1.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)1.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器#1.6開關直流電源的控制第三頁，共155頁。Buck變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計1.1Buck變換器第四頁，共155頁。Buck變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計1.1Buck變換器第五頁，共155頁。

Ui=100VUo=50VIo=10A設計要求：直流變換器第六頁，共155頁。

Ui=100VUo=50VIo=10A設計要求：直流變換器：電阻分壓=UoIo/UiIo=Uo/Ui

=50/100=50%Ploss=5010=500(W)UR=100-50=50(V)效率太低!!!無法自動穩壓!第七頁，共155頁。

Ui=100VUo=50VIo=10A設計要求：直流變換器：線性模式=UoIo/UiIo=Uo/Ui

=50/100=50%UQ=100-50=50(V)效率太低!!!無法自動穩壓!PQ=UQ

IQ=5010=500(W)可以自動穩壓!第八頁，共155頁。

Ui=100VUo=50VIo=10A設計要求：直流變換器：開關模式Ton：導通時間Ts：開關周期D：占空比50V第九頁，共155頁。

Ui=100VUo=50VIo=10A設計要求：Qon:PQ(on)=Vces

Io0

100%Ploss

0Qoff:PQ(off)=VinIceo0直流變換器：開關模式可以自動穩壓!

效率很高！第十頁，共155頁。濾波器續流二極管DBuck變換器降壓式變換器LfCf第十一頁，共155頁。第十二頁，共155頁。Buck變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計1.1Buck變換器第十三頁，共155頁。QON工作原理：電感電流連續AB第十四頁，共155頁。QOFFAB第十五頁，共155頁。輸入電壓與輸出電壓之間的關系占空比脈沖寬度調制(Pulse-WidthModulation)脈沖頻率調制Pulse-FrequencyModulation第十六頁，共155頁。輸出電流平均值濾波電感電流脈動值Q：當Ui和Uo一定時，如果負載

電流變化，電感電流脈動是否變化？A：不變！濾波電感電流的最大值和最小值為第十七頁，共155頁。工作原理：電感電流斷續第十八頁，共155頁。Buck變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計1.1Buck變換器第十九頁，共155頁。電感電流臨界連續電感電流連續臨界電流值，即負載最小電流：ILfmin=0?第二十頁，共155頁。電感電流臨界連續相同的Ui(恒定)，不同的U0。第二十一頁，共155頁。電感電流斷續輸出平均電流：第二十二頁，共155頁。Buck變換器的外特性外特性：電感電流連續時：電感電流斷續時：Q：如果Ui和占空比不變，當電感電流斷續時，為何Uo升高？第二十三頁，共155頁。D值越小，電流IG越大，要求Lf越大。不同的Ui，相同的U0(恒定)。第二十四頁，共155頁。Buck變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計1.1Buck變換器第二十五頁，共155頁。Buck變換器的元器件參數選擇已知條件：輸入電壓Ui(變化范圍)

輸出電壓Uo

輸出電流Io

輸出電壓穩定精度輸出電壓紋波元器件參數選擇：功率晶體管二極管濾波電感濾波電容第二十六頁，共155頁。變換效率的近似計算雙極性晶體管如果fs>20kHz，可近似認為其導通損耗等于開關損耗。功率MOSFET如果fs<100kHz，可忽略其開關損耗。第二十七頁，共155頁。功率晶體管選擇：類型開關頻率晶體管類型選擇功率管類型<20kHz20~50kHz>50kHz低頻功率管開關功率管功率MOSFET如果功率較大，可選用IGBT。第二十八頁，共155頁。功率晶體管電壓和電流應力平均電流：峰值電流：電壓應力：功率晶體管ICM>2IQPU(BR)ceo>2Ui第二十九頁，共155頁。二極管類型選擇開關二極管、快恢復二極管或者FRED；二極管類型選擇輸出電壓較低時，如5V以下，需要采用功率MOSFET來替代整流二極管，即同步整流。電壓低于40V時，可選用肖特基二極管；第三十頁，共155頁。二極管電壓和電流應力平均電流：有效值電流：電壓應力：UDR>2Ui第三十一頁，共155頁。濾波電感量的計算ΔILf過小，Lf太大。ΔILf過大，Lf太損耗太大，且Uo脈動大。工程上一般取ΔILf=20%Io。在10%Io時，電感電流連續。理論上第三十二頁，共155頁。濾波電容量的計算輸出電流脈動很小ΔILf全部流過電容電壓紋波第三十三頁，共155頁。第三十四頁，共155頁。第三十五頁，共155頁。第三十六頁，共155頁。第一章直流/直流變換器1.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)1.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)1.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)1.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)1.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器第三十七頁，共155頁。Boost變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計1.2Boost變換器第三十八頁，共155頁。Boost變換器的推導Uo<UiUo>Ui第三十九頁，共155頁。Boost變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計1.2Boost變換器第四十頁，共155頁。QON電感電流連續(1)第四十一頁，共155頁。QOFF電感電流連續(2)第四十二頁，共155頁。輸入電壓與輸出電壓之間的關系電感電流連續(1)第四十三頁，共155頁。電感電流斷續(1)第四十四頁，共155頁。Boost變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計1.2Boost變換器第四十五頁，共155頁。電感電流臨界連續電感電流連續臨界電流值，即負載最小電流：ILbmin=0第四十六頁，共155頁。第四十七頁，共155頁。電感電流斷續輸出平均電流：第四十八頁，共155頁。Boost變換器的外特性外特性：電感電流連續時：電感電流斷續時：第四十九頁，共155頁。Boost變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計1.2Boost變換器第五十頁，共155頁。平均輸入電流：峰值電流：電壓應力：功率晶體管ICM>2IQPU(BR)ceo>2Uo功率晶體管第五十一頁，共155頁。有效值電流：電壓應力：平均電流：二極管UBR>2Uo第五十二頁，共155頁。電感量：升壓電感臨界連續輸出電流：Uo恒定Ui恒定第五十三頁，共155頁。電容量：濾波電容輸出電壓紋波：電容放電電容充電第五十四頁，共155頁。第五十五頁，共155頁。第五十六頁，共155頁。第一章直流/直流變換器1.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)1.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)1.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)1.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)1.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器第五十七頁，共155頁。Buck-Boost變換器的推導工作原理元器件選擇和設計1.3Buck-Boost變換器第五十八頁，共155頁。Buck-Boost變換器的推導Uo<UiUo>Ui第五十九頁，共155頁。第六十頁，共155頁。輸入輸出反極性！第六十一頁，共155頁。Buck-Boost變換器的推導工作原理元器件選擇和設計1.3Buck-Boost變換器第六十二頁，共155頁。Q導通第六十三頁，共155頁。Q關斷第六十四頁，共155頁。輸入輸出關系D<0.5，Uo<UiD>0.5，Uo>Ui第六十五頁，共155頁。Buck-Boost變換器的推導工作原理

元器件選擇和設計1.3Buck-Boost變換器第六十六頁，共155頁。輸入電流：電感電流平均值：電壓應力：功率晶體管輸出電流：功率晶體管電流平均值：電流最大值：第六十七頁，共155頁。二極管有效值電流：電壓應力：平均電流：第六十八頁，共155頁。電感量：電感電感電流脈動：第六十九頁，共155頁。電容量：濾波電容輸出電壓紋波：電容放電電容充電第七十頁，共155頁。

橋式變換電路使V4保持通時，V1、VD1和V2、VD2等效為又一組可逆斬波電路，向電動機提供正電壓，可使電動機工作于第1、2象限。使V2保持通時，V3、VD3和V4、VD4等效為又一組可逆斬波電路，向電動機提供負電壓，可使電動機工作于第3、4象限。第七十一頁，共155頁。多相多重斬波電路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3io多相多重斬波電路及其波形a）電路圖b）波形

■多相多重斬波電路

◆是在電源和負載之間接入多個結構相同的基本斬波電路而構成的。

◆相數:一個控制周期中電源側的電流脈波數。

◆重數：負載電流脈波數。■3相3重降壓斬波電路

◆電路及波形分析

?相當于由3個降壓斬波電路單元并聯而成。

?總輸出電流為3個斬波電路單元輸出電流之和，其平均值為單元輸出電流平均值的3倍，脈動頻率也為3倍。第七十二頁，共155頁。作業61、分析降壓和升壓斬波電路的工作原理。2、在降壓斬波電路中，Ui=30-50V，輸出電壓U0=20V，負載R=2-20，PWM控制周期TS=40s。試計算輸出電壓紋波小于1%、電感電流連續時，電感最小值和電容值，并選取開關管和二極管，電感電流的最大和最小值。3、在升壓斬波電路中，Ui=30-50V，負載R=10-50，PWM控制周期TS=50s。試計算輸出電壓U0=100V、紋波小于1%和電感電流連續時，電感最小值和電容值，并選取開關管和二極管，電感電流的最大和最小值。4、5－9第七十三頁，共155頁。第一章直流/直流變換器1.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)1.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)1.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)1.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)1.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器第七十四頁，共155頁。Cuk變換器的推導工作原理元器件選擇和設計電流斷續模式耦合電感的Cuk變換器隔離式Cuk變換器1.4Cuk變換器第七十五頁，共155頁。Cuk變換器的推導鏡像翻轉濾波電容和二極管交換位置Cf和Q改變位置Lf移到上面第七十六頁，共155頁。第七十七頁，共155頁。輸入輸出反極性！共用Q、D、Cf第七十八頁，共155頁。Cuk變換器的推導工作原理元器件選擇和設計電流斷續模式耦合電感的Cuk變換器隔離式Cuk變換器1.4Cuk變換器第七十九頁，共155頁。Q導通第八十頁，共155頁。Q關斷第八十一頁，共155頁。輸入輸出關系Uo既可高于Ui，又可低于Ui。第八十二頁，共155頁。Cuk變換器的推導工作原理元器件選擇和設計電流斷續模式耦合電感的Cuk變換器隔離式Cuk變換器1.4Cuk變換器第八十三頁，共155頁。電壓應力：功率晶體管電流平均值：電流最大值：第八十四頁，共155頁。二極管有效值電流：電壓應力：平均電流：第八十五頁，共155頁。電感電感L1的電流脈動：電感L2的電流脈動：第八十六頁，共155頁。電容電容C1的選擇：電容C2的選擇：Q導通，C1放電；Q截止，C1充電。與Buck變換器類似Cuk變換器利用C1進行能量傳遞，充放電電流很大，因此要選擇低損耗的高頻電解電容。第八十七頁，共155頁。Cuk變換器的推導工作原理元器件選擇和設計電流斷續模式耦合電感的Cuk變換器隔離式Cuk變換器1.4Cuk變換器第八十八頁，共155頁。電流斷續模式所謂電流斷續模式，是指二極管電流斷續！第八十九頁，共155頁。Cuk變換器的推導工作原理元器件選擇和設計電流斷續模式耦合電感的Cuk變換器隔離式Cuk變換器1.4Cuk變換器第九十頁，共155頁。**耦合電感的Cuk變換器第九十一頁，共155頁。電感脈動第九十二頁，共155頁。Cuk變換器的推導工作原理元器件選擇和設計電流斷續模式耦合電感的Cuk變換器隔離式Cuk變換器1.4Cuk變換器第九十三頁，共155頁。隔離式Cuk變換器第九十四頁，共155頁。1.1.5Zeta變換器和Sepic變換器第九十五頁，共155頁。Zeta變換器Sepic變換器*輸入輸出同極性！Zeta變換器和Sepic變換器Sepic:Single-endedprimaryinductanceconverterR.P.Massey,andE.C.Snyder,“High-voltagesingle-endeddc-dcconverter,”inProc.IEEEPESC,1977,pp.156-159第九十六頁，共155頁。6種基本變換器的比較BuckBoostBuck-BoostCukZetaSepicConverterVoltageConversionRatioOutputVoltagePolarityInputCurrentRippleOutputCurrentRipple++++__LargeSmallConfigu-rationSimpleSimpleSimpleComplexComplexComplexLargeLargeLargeLargeSmallSmallSmallSmallSmallLargeTopology第九十七頁，共155頁。第一章直流/直流變換器1.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)1.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)1.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)1.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)1.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器第九十八頁，共155頁。正激變換器的推導工作原理基本數量關系1.5.1正激(Forward)變換器第九十九頁，共155頁。正激變換器的推導工作原理基本數量關系1.5.1正激(Forward)變換器第一百頁，共155頁。第1步：加入隔離變壓器；第2步：加入磁復位電路；第3步：加入整流二極管。正激變換器的推導第一百零一頁，共155頁。第一百零二頁，共155頁。第一百零三頁，共155頁。正激變換器的推導工作原理基本數量關系1.5.1正激(Forward)變換器第一百零四頁，共155頁。Q導通N1的激磁電感第一百零五頁，共155頁。Q關斷：磁復位第一百零六頁，共155頁。Q關斷：磁復位完成變壓器磁復位完成第一百零七頁，共155頁。正激變換器的推導工作原理基本數量關系1.5.1正激(Forward)變換器第一百零八頁，共155頁。輸入輸出關系第一百零九頁，共155頁。最大占空比第一百一十頁，共155頁。開關管、二極管的電壓應力第一百一十一頁，共155頁。N1>N3Dmax>0.5UQ>2UiN1<N3Dmax<0.5UQ<2UiN1=N3Dmax=0.5UQ=2Ui復位繞組匝數的選擇第一百一十二頁，共155頁。工作原理外特性變換器設計與Buck-Boost變換器的關系1.5.2反激(Flyback)變換器第一百一十三頁，共155頁。工作原理外特性變換器設計與Buck-Boost變換器的關系1.5.2反激(Flyback)變換器第一百一十四頁，共155頁。反激變換器第一百一十五頁，共155頁。Q導通變壓器相當于一個電感電感儲能；負載由濾波電容提供能量。第一百一十六頁，共155頁。Q關斷電感釋放能量給負載供電。變壓器相當于一個電感第一百一十七頁，共155頁。輸入輸出關系升降壓變換器第一百一十八頁，共155頁。工作原理外特性變換器設計與Buck-Boost變換器的關系1.5.2反激(Flyback)變換器第一百一十九頁，共155頁。不同負載情況第一百二十頁，共155頁。電流斷續時的輸入輸出關系第一百二十一頁，共155頁。Flyback變換器的外特性電流斷續時：電流連續時：電流臨界連續時：D=1/2D值越小，電流IG越大，要求L1越大。第一百二十二頁，共155頁。工作原理外特性變換器設計與Buck-Boost變換器的關系1.5.2反激(Flyback)變換器第一百二十三頁，共155頁。I1I2電感電流工作模式比較電流斷續時：電流連續時：如果Po相等，CCM時器件的電流峰值比DCM的小！第一百二十四頁，共155頁。變壓器匝比比較晶體管電壓應力：二極管電壓應力：變壓器匝比的選擇靈活性很大！UQ

UD

UQ

UD

根據實際可采購到的晶體管、二極管的電流、電壓定額和價格來合理選擇匝比。第一百二十五頁，共155頁。工作原理外特性變換器設計與Buck-Boost變換器的關系1.5.2反激(Flyback)變換器第一百二十六頁，共155頁。FlybackBuck/Boost電感釋能電感儲能兩種變換器對比第一百二十七頁，共155頁。第1步：加入隔離變壓器；第3步：調整變壓器次級位置；第2步：將Lc和變壓器集成在一起，用激磁電感代替Lc；第4步：將Q移到下面。Buck-Boost到Flyback的演變第一百二十八頁，共155頁。1.6半橋電路S1與S2交替導通，使變壓器一次側形成幅值為Ui/2的交流電壓。改變開關的占空比，就可以改變二次側整流電壓ud的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。S1導通時，二極管VD1處于通態，S2導通時，二極管VD2處于通態;當兩個開關都關斷時，變壓器繞組N1中的電流為零，VD1和VD2都處于通態，各分擔一半的電流。1）工作過程S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO第一百二十九頁，共155頁。S1或S2導通時電感L的電流逐漸上升，兩個開關都關斷時，電感L的電流逐漸下降。S1和S2斷態時承受的峰值電壓均為Ui。由于電容的隔直作用，半橋電路對由于兩個開關導通時間不對稱而造成的變壓器一次側電壓的直流分量有自動平衡作用，因此不容易發生變壓器的偏磁和直流磁飽和。2）數量關系當濾波電感L的電流連續時：

如果輸出電感電流不連續，輸出電壓U0將高于上式的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下，

第一百三十頁，共155頁。1.7全橋電路全橋電路中，互為對角的兩個開關同時導通，同一側半橋上下兩開關交替導通，使變壓器一次側形成幅值為Ui的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。當S1與S4開通后，VD1和VD4處于通態，電感L的電流逐漸上升；1）工作過程S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOOS2與S3開通后，二極管VD2和VD3處于通態，電感L的電流也上升。當4個開關都關斷時，4個二極管都處于通態，各分擔一半的電感電流，電感L的電流逐漸下降。S1和S2斷態時承受的峰值電壓均為Ui。第一百三十一頁，共155頁。如果S1、S4與S2、S3的導通時間不對稱，則交流電壓uT中將含有直流分量，會在變壓器一次側產生很大的直流分量，造成磁路飽和，因此全橋電路應注意避免電壓直流分量的產生，也可在一次側回路串聯一個電容，以阻斷直流電流。2）數量關系濾波電感電流連續時：

輸出電感電流斷續時，輸出電壓Uo將高于上式的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下：第一百三十二頁，共155頁。1.8推挽電路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO推挽電路中兩個開關S1和S2交替導通，在繞組N1和N,1兩端分別形成相位相反的交流電壓。S1導通時，二極管VD1處于通態，電感L的電流逐漸上升。S2導通時，二極管VD2處于通態，電感L電流也逐漸上升1）工作過程當兩個開關都關斷時，VD1和VD2都處于通態，各分擔一半的電流。S1和S2斷態時承受的峰值電壓均為2倍Ui。S1和S2同時導通，相當于變壓器一次側繞組短路，因此應避免兩個開關同時導通。第一百三十三頁，共155頁。2）數量關系濾波電感L電流連續時：輸出電感電流不連續時，輸出電壓Uo將高于上式的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下，第一百三十四頁，共155頁。電路優點缺點功率范圍應用領域正激電路較簡單，成本低，可靠性，驅動電路簡單變壓器單向激磁，利用率低幾百W~幾kW各種中、小功率電源反激電路非常簡單，成本很低，可靠性高，驅動電路簡單難以達到較大的功率，變壓器單向激磁，利用率低幾W~幾十W小功率電子設備、計算機設備、消費電子設備電源。全橋變壓器雙向勵磁，容易達到大功率結構復雜，成本高，有直通問題，可靠性低，需要復雜的多組隔離驅動電路幾百W~幾百kW大功率工業用電源、焊接電源、電解電源等半橋變壓器雙向勵磁，沒有變壓器偏磁問題，開關較少，成本低有直通問題，可靠性低，需要復雜的隔離驅動電路幾百W~幾kW各種工業用電源，計算機電源等推挽變壓器雙向勵磁，變壓器一次側電流回路中只有一個開關，通態損耗較小，驅動簡單有偏磁問題幾百W~幾kW低輸入電壓的電源各種不同的間接直流變流電路的比較第一百三十五頁，共155頁。1.9全波整流和全橋整流雙端電路中常用的整流電路形式為全波整流電路和全橋整流電路。1）全波整流電路的特點優點：電感L的電流回路中只有一個二極管壓降，損耗小，而且整流電路中只需要2個二極管，元件數較少。缺點：二極管斷態時承受的反壓較高，對器件耐壓要求較高，而且變壓器二次側繞組有中心抽頭，結構較復雜。適用場合：輸出電壓較低的情況下（<100V）。a）全波整流電路b）全橋整流電路第一百三十六頁，共155頁。2）全橋電路的特點優點：二極管在斷態承受的電壓僅為交流電壓幅值，變壓器的繞組簡單。缺點：電感L的電流回路中存在兩個二極管壓降，損耗較大，而且電路中需要4個二極管，元件數較多。適用場合：高壓輸出的情況下。a）全波整流電路b）全橋整流電路第一百三十七頁，共155頁。3）同步整流電路：當電路的輸出電壓非常低時，可以采用同步整流電路，利用低電壓MOSFET具