1電力電子學—電力電子變換和控制技術〔第三版〕陳堅編著華中科技大學第三章直流/直流變換器3.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)3.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)3.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)3.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)3.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器第三章直流/直流變換器3.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)3.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)3.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)3.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)3.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器Buck變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計3.1Buck變換器Buck變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計3.1Buck變換器

Ui=100V

Uo=50VIo=10A設計要求：直流變換器

Ui=100V

Uo=50VIo=10A設計要求：直流變換器：電阻分壓

=UoIo/UiIo=Uo/Ui

=50/100=50%Ploss=50

10=500(W)UR=100-50=50(V)

效率太低!!!

無法自動穩壓!

Ui=100V

Uo=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=50

10=500(W)

可以自動穩壓!

Ui=100V

Uo=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

Ui=100V

Uo=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！濾波器續流二極管DBuck變換器降壓式變換器LfCfBuck變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計3.1Buck變換器QON工作原理：電感電流連續ABQOFF工作原理：電感電流連續AB輸入電壓與輸出電壓之間的關系工作原理：電感電流連續占空比脈沖寬度調制(Pulse-WidthModulation)脈沖頻率調制Pulse-FrequencyModulation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？工作原理：電感電流連續A：不變！工作原理：電感電流斷續Buck變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計3.1Buck變換器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電感電流臨界連續電感電流斷續輸出平均電流：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？Buck變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計3.1Buck變換器Buck變換器的元器件參數選擇條件：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。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。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；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。濾波電容量的計算輸出電流脈動很小ΔILf全部流過電容第三章直流/直流變換器3.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)3.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)3.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)3.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)3.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器Boost變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計3.2Boost變換器Boost變換器的推導Uo<UiUo>UiBoost變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計3.2Boost變換器QON電感電流連續(1)QOFF電感電流連續(2)輸入電壓與輸出電壓之間的關系電感電流連續(3)電感電流斷續(1)Boost變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計3.2Boost變換器電感電流臨界連續(1)電感電流連續臨界電流值，即負載最小電流：ILbmin=0電感電流臨界連續(2)電感電流斷續輸出平均電流：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：Boost變換器的推導工作原理外特性元器件選擇和設計3.2Boost變換器平均輸入電流：峰值電流：電壓應力：功率晶體管ICM>2IQPU(BR)ceo>2Uo功率晶體管有效值電流：電壓應力：平均電流：二極管UBR>2Uo電感量：升壓電感臨界連續輸出電流：Uo恒定Ui恒定電容量：濾波電容輸出電壓紋波：電容放電電容充電第三章直流/直流變換器3.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)3.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)3.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)3.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)3.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器Buck-Boost變換器的推導工作原理元器件選擇和設計3.3Buck-Boost變換器Buck-Boost變換器的推導(1)Uo<UiUo>UiBuck-Boost變換器的推導(2)Buck-Boost變換器的推導(3)輸入輸出反極性！Buck-Boost變換器的推導工作原理元器件選擇和設計3.3Buck-Boost變換器Q導通Q關斷輸入輸出關系D<0.5，Uo<UiD>0.5，Uo>UiBuck-Boost變換器的推導工作原理

元器件選擇和設計3.3Buck-Boost變換器輸入電流：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：二極管有效值電流：電壓應力：平均電流：電感量：電感電感電流脈動：電容量：濾波電容輸出電壓紋波：電容放電電容充電第三章直流/直流變換器3.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)3.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)3.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)3.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)3.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器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3.4Cuk變換器Cuk變換器的推導(1)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Buck/Boost變換器的推導(2)Buck/Boost變換器的推導(3)輸入輸出反極性！共用Q、D、CfCuk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3.4Cuk變換器Q導通Q關斷輸入輸出關系Uo既可高于Ui，又可低于Ui。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3.4Cuk變換器電壓應力：功率晶體管電流平均值：電流最大值：二極管有效值電流：電壓應力：平均電流：電感電感L1的電流脈動：電感L2的電流脈動：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。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3.4Cuk變換器電流斷續模式所謂電流斷續模式，是指二極管電流斷續！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3.4Cuk變換器**耦合電感的Cuk變換器電感脈動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3.4Cuk變換器隔離式Cuk變換器9.1.5Zeta變換器和Sepic變換器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-endedprimaryinductanceconverter,andE.C.Snyder,“High-voltagesingle-endeddc-dcconverter,〞inProc.IEEEPESC,1977,pp.156-1596種根本變換器的比較BuckBoostBuck-BoostCukZetaSepicConverterVoltageConversionRatioOutputVoltagePolarityInputCurrentRippleOutputCurrentRipple++++__LargeSmallConfigu-rationSimpleSimpleSimpleComplexComplexComplexLargeLargeLargeLargeSmallSmallSmallSmallSmallLargeTopology第三章直流/直流變換器3.1直流/直流降壓變換器(Buck變換器)3.2直流/直流升壓變換器(Boost變換器)3.3直流升壓-降壓變換器(Buck-Boost變換器)3.4直流升壓-降壓變換器(Cuk變換器)3.5帶隔離變壓器的直流/直流變換器正激變換器的推導工作原理根本數量關系3.5.1正激(Forward)變換器正激變換器的推導工作原理根本數量關系3.5.1正激(Forward)變換器第1步：參加隔離變壓器；第2步：參加磁復位電路；第3步：參加整流二極管。正激變換器的推導(1)正激變換器的推導(2)正激變換器的推導(3)正激變換器的推導工作原理根本數量關系3.5.1正激(Forward)變換器Q導通N1的激磁電感Q關斷：磁復位Q關斷：磁復位完成變壓器磁復位完成正激變換器的推導工作原理根本數量關系3.5.1正激(Forward)變換器輸入輸出關系最大占空比開關管、二極管的電壓應力N1>N3Dmax>0.5UQ>2UiN1<N3Dmax<0.5UQ<2UiN1=N3Dmax=0.5UQ=2Ui復位繞組匝數的選擇工作原理外特性變換器設計與Buck-Boost變換器的關系3.5.2反激(Flyback)變換器工作原理外特性變換器設計與Buck-Boost變換器的關系3.5.2反激(Flybac