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1、黄华芳,第4章,变换器,直流-直流,主讲人：,4.1 引言,直流-直流变换器是将直流电变为另一固定或可调直流电的变换电路，也称为斩波器。直流-直流变换器被广泛地应用在直流开关电源和直流电机驱动系统中。直流-直流变换器主要有如下几种基本形式：(1)降压直流-直流变换器(Buck Converter)(2)升压直流-直流变换器(Boost Converter)(3)降压-升压复合型直流-直流变换器(Buck-Boost Converter)(4)库克直流-直流变换器(Cuk Converter)(5)全桥式直流-直流变换器(Full Bridge Converter),基本直流-直流变换器的结构及
2、输出波形如下图所示。S导通时，uo=Ud；S断开时，uo=0。输出电压平均值Uo为式中，TS为开关周期；D为占空比，D=ton/TS。可见改变输出电压有3种调制方法：(1)ton可变，TS不变脉宽调制(PWM)(2)ton不变，TS可变频率调制(PFM)(3)ton和TS均可变混合调制,4.2 直流-直流变换器的控制,方式1（PWM）是最常见的调制方式，因为后两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。下图是脉宽调制方式的控制原理图。给定电压Uo与实际输出电压Uo经误差放大器得到误差控制信号uco，该信号与锯齿波信号ust比较得到开关控制信号，控制
3、开关管的导通和关断，得到期望的输出电压。锯齿波的频率决定了变换器的开关频率，一般在几千Hz到几百千Hz之间。当ucoust，开关控制信号为高电位，S导通；当ucoust，开关控制信号为低电位，S断开。故D=ton/TS=uco/Ustm。,4.3 降压变换器,降压变换器也称为Buck变换器，顾名思义，UoUd。,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。因此，图(a)电路可能由于电感上的感应电压毁坏开关管。采用图(b)电路，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(a)电路输出电压在0和Ud间变化。
4、图(b)电路用由L和C组成的低通滤波器可以得到平稳的输出电压。,低通滤波器的输入电压uoi的波形如下图所示。低通滤波器的频率fc应大大低于开关频率fS，经过滤波后的输出电压uo基本上消除了开关频率造成的纹波。假设C，则输出电压的瞬时值不变，即uo=Uo。稳态时，一个开关周期内电容电流平均值为零（和稳态时一周期内电感电压平均值为零一样），所以电感电流平均值IL就等于输出电流平均值Io。,在ton期间，S通VD断，电源对L充电，uL=UdUo，io；在toff期间，S断VD通，L放电，uL=Uo，io。一周期内电感电压平均值为零，即A、B面积相等，所以在电流连续模式中，当输入电压不变时，输出电压U
5、o随占空比而线性改变，而与其他参数无关。,4.3.1 电流连续模式时的工作情况（C）,一周期内负载消耗的能量为由能量守恒定律可知在电流连续模式下，降压变换器相当于一个直流降压变压器，通过调节D就可得到要求的Uo。,一周期内电源提供的能量为,4.3.2 电流连续、断续的临界情况（C）,电流临界连续情况下的工作波形如右下图所示。,其中，iLp为电感电流峰值，ILB、IoB为临界连续时的电感电流平均值和输出电流平均值。如果输出电流Io比IoB小，那么变换器工作在断续模式下。,由uL波形可知由iL波形可知最终得到Uo计算式,4.3.3 电流断续模式时的工作情况（C）,电流断续情况下的工作波形如右下图所
6、示。,假设滤波后负载电流平直，即io=Io，则iL的所有纹波分量都流过C，即IC=IL。半周期内的电荷增量（阴影部分）为Q=ILTS/8，所以电压纹波峰-峰值为,4.3.4 输出电压纹波,在前面的分析中，假设C，从而使uo=Uo。实际上，C值是有限的，因此输出电压是有纹波的，波形（在电流连续模式下）如下图所示。,故输出电压纹波系数为上式表明：通过选择低通滤波器的频率fc，使fcfS，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，输出电压纹波系数通常小于1%，因此，在前面的分析中假定uo=Uo是不会影响分析结果的。,
