第 4 章 直流 - 直流变换器

1. 第4章 直流-直流变换器

2. 主要内容： • 降压变换器、升压变换器、降压-升压变换器的拓扑结构、工作原理、在电流连续和断续模式下的各物理量之间的函数关系； • 全桥式直流-直流变换器在单极性和双极性控制方式时的工作原理； • 影响直流-直流变换器输出电压纹波的因素； • 几种不同变换器的开关利用率。

3. 4.1 简介

4. 直流-直流变换器也称为斩波器，通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比改变输出电压平均值。直流-直流变换器也称为斩波器，通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比改变输出电压平均值。 直流-直流变换器主要有如下几种基本型式： • 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.丘克直流-直流变换器 • 5. 全桥式直流-直流变换器(Full Bridge Converter)

5. 4.2 直流-直流变换器的控制

6. 基本的直流-直流变换器和它的输出波形

7. 开关管导通时，输出电压等于输入电压Ud；开关管断开时，输出电压等于0。输出电压波形如上图所示，输出电压的平均值Uo为开关管导通时，输出电压等于输入电压Ud；开关管断开时，输出电压等于0。输出电压波形如上图所示，输出电压的平均值Uo为 (4-1) 式中Ts—开关周期 D—开关占空比， • 改变负载端输出电压有3种调制方法： 1．开关周期Ts保持不变，改变开关管导通时间ton。也称为脉宽调制(PWM)。 • 2．开关管导通时间ton保持不变，改变开关周期Ts。 • 3. 改变开关管导通时间ton，同时也改变开关周期Ts。

8. 方式1的PWM是最常见的调制方式，这主要是因为后2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。方式1的PWM是最常见的调制方式，这主要是因为后2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。 • 图4-2(a)是脉宽调制方式的控制原理图。给定电压与实际输出电压经误差放大器得到误差控制信号uco，该信号与锯齿波信号比较得到开关控制信号，控制开关管的导通和关断，得到期望的输出电压。图4-2(b)给出了脉宽调制的波形。锯齿波的频率决定了变换器的开关频率。一般选择开关频率在几千赫兹到几百千赫之间。

10. 按照控制电压和锯齿波幅值的关系，开关占空比D可以表示成：按照控制电压和锯齿波幅值的关系，开关占空比D可以表示成： (4-2) • 直流-直流变换器有两种不同的工作模式： 1. 电感电流连续模式 • 2.电感电流断续模式 • 在不同的情况下，变换器可能工作在不同的模式。因此，设计变换器和它的控制器参数时，应该考虑这两种不同的工作模式的特性。

11. 4.3 降压变换器

12. 降压变换器也称为Buck变换器，正如名字所定义的，降压变换器的输出电压Uo低于输入电压Ud。降压变换器也称为Buck变换器，正如名字所定义的，降压变换器的输出电压Uo低于输入电压Ud。 • 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，电感电流不能突变，因此，图4-1的电路可能由于电感上的感应电压毁坏开关管。采用图4-3的电路，则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4-1的电路输出电压在0和Ud间变化。采用由电感和电容组成的低通滤波器可以得到平稳的输出电压。

13. 图4-3 降压变换器电路原理图

14. 图(a)所示的输入电压Uoi的波形，可以分解成直流分量Uo、具有开关频率fs的谐波分量，如图(b)所示。图(a)所示的输入电压Uoi的波形，可以分解成直流分量Uo、具有开关频率fs的谐波分量，如图(b)所示。

15. 采用由电感和电容组成的低通滤波器的特性如图(c)所示。低通滤波器的角频率fc应大大低于开关频率fs，经过滤波器后的输出电压基本上消除了开关频率造成的纹波。假设输出端的滤波电容足够大，则输出电压的瞬时值不变，即uo=Uo。在稳态情况下，因为电容电流平均值为0，所以电感电流平均值等于输出电流平均值Io。采用由电感和电容组成的低通滤波器的特性如图(c)所示。低通滤波器的角频率fc应大大低于开关频率fs，经过滤波器后的输出电压基本上消除了开关频率造成的纹波。假设输出端的滤波电容足够大，则输出电压的瞬时值不变，即uo=Uo。在稳态情况下，因为电容电流平均值为0，所以电感电流平均值等于输出电流平均值Io。

16. 4.3.1 电流连续模式时的工作情况 • 在开关管导通期间ton，输入电源经电感流过电流，二极管反偏。这导致在电感端有一个正向电压uL=Ud-Uo，如图4-5(a)所示。这个电压引起电感电流iL的线性增加；当开关管关断时，由于电感中储存电能，产生感应电势，使二极管导通，iL经二极管继续流动，uL= -Uo，电感电流下降，如图4-5(b)所示。 输出电压(4-5) • 因此，在电流连续模式中，当输入电压不变时，输出电压Uo随占空比而线性改变，而与电路其他参数无关。

18. 忽略电路所有元件的能量损耗，则 因此 故有 (4-6) 因此，在电流连续模式下，降压变换器相当于一个直流变压器，通过控制开关的占空比，可以得到要求的直流电压。 由式(4-6)有，输入电流平均值Id与输出电流Io是变比的关系，但当开关管断开时，瞬时输入电流从峰值跳变到0，这样对输入电源会有较大的谐波存在，因此，在输入端加入一个适当的滤波器用来消除不必要的电流谐波。

19. 4.3.4 输出电压纹波

20. 在前面的分析中，假设输出电容足够大从而使uo=Uo。然而，实际上，输出电容值是有限的，因此输出电压是有纹波的。在电流连续模式下的输出电压的波形如图4-10所示。在前面的分析中，假设输出电容足够大从而使uo=Uo。然而，实际上，输出电容值是有限的，因此输出电压是有纹波的。在电流连续模式下的输出电压的波形如图4-10所示。 • 电压纹波的峰-峰值△Uo为: (4-24) • 式(4-24)表明：通过选择输出端低通滤波器的角频率fc，使fc<<fs，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，输出电压纹波的百分比通常小于1%，因此，在前面的分析中假定uo= Uo是不会影响分析结果的。

21. 4.4 升压变换器

22. 图4-11 升压变换器电路原理图

23. 升压变换器也称为Boost变换器。正如名字所指的，升压变换器的输出电压总是高于输入电压。图4-11是升压变换器的电路图。升压变换器也称为Boost变换器。正如名字所指的，升压变换器的输出电压总是高于输入电压。图4-11是升压变换器的电路图。 • 当开关管导通时，输入电源的电流流过电感和开关管，二极管反向偏置，输出与输入隔离。当开关管断开时，电感的感应电势使二极管导通，电感电流iL通过二极管和负载构成回路，由输入电源向负载提供能量。在下面的稳态分析中，输出端的滤波电容器被假定为足够大以确保输出电压保持恒定，即uo= Uo。

24. 4.4.1 电流连续模式时的工作情况 • 在稳态时，电感电压在一个周期内的积分是0， • 上式的两边除以Ts，得： (4-26) • 假设电路没有损耗，则Pd=Po， (4-27)

25. 图4-12 升压变换器电路的情况(假定iL连续)

26. 4.4.5 输出电压纹波 • 在前面的分析中，假设输出电容足够大从而使uo=Uo。然而，实际上，输出电容值是有限的，因此输出电压是有纹波的。在电流连续模式下的输出电压的波形如图4-17所示。 • 纹波的峰-峰值为 (4-40) • 对于电流断续模式也可作类似分析。

27. 图4-17 升压变换器的输出电压的纹波

28. 4.6 全桥式直流-直流变换器

29. 图4-25全桥式开关模式变换器的电路结构图

30. 在全桥式直流-直流变换器中，其输出电压Uo是极性可变、幅值可控的直流电，输出电流io 的幅值和方向也是可变的。因此，该变换器可以在四个象限运行。 • 同一桥臂的两个开关管不能同时处于导通状态，否则就会造成直流短路。在实际中，它们在一个短间隙中都断开，该间隙称为逻辑延迟时间。 • 如果变换器的同一桥臂的两个开关管在任一时刻都不同时处于断开状态，则输出电压uo完全由开关管的状态决定。以负直流母线N为参考点，A点的电压uAN，由如下的开关状态决定：当VTA+导通时或VDA+导通时，则A点的电压为： (4-58a) • 类似地，当VTA-导通时，或VDA-导通时，则A点的电压为： • (4-58b)

31. 综上所述，uAN仅取决于桥臂A是上半部分导通还是下半部分导通，而与负载电流io的方向无关，因此UAN为：综上所述，uAN仅取决于桥臂A是上半部分导通还是下半部分导通，而与负载电流io的方向无关，因此UAN为： (4-59) 式中，ton和toff分别是VTA+的导通时间和断开时间，VDVTA+是开关管VTA+的占空比。 类似地，(4-60) • 因此，输出电压Uo(=UAN -UBN)与变换器的开关占空比有关，而与负载电流io的大小和方向无关。 • 如果变换器同一桥臂的两个开关管同时处于断开的状态，则输出电压uo由输出电流io的方向决定。这将引起输出电压平均值和控制电压之间的非线性关系，所以应该避免两个开关管同时处于断开的情况发生。

32. 全桥式变换器有两种PWM的控制方式： 1．双极性PWM控制方式。在该控制方式下，图4-25中的(VTA+，VTB-)和(VTA-，VTB+)被当作两对开关管，每对开关管都是同时导通或断开的。 2．单极性PWM控制方式。在该控制方式下，每个桥臂的开关管是单独控制的。 • 与前面几节讨论过的开关变换器不同，全桥式直流-直流变换器的输出电流在负载低的时候，也没有电流断续模式。

33. 4.6.1 双极性PWM控制方式 • 在双极性控制方式中，开关管(VTA+，VTB-)和(VTB+，VTA-)被当作两对开关管对待，即两个开关管(VTA+，VTB-)是同时导通和断开的。同一桥臂的两个开关管中，总有一个是开通的。 • 开关控制信号是由正负两个方向变化的三角波与控制电压uco比较得到的。如图4-26所示，当uco>utri，VTB+和VTA-断开，VTA+和VTB-导通；否则VTA+和VTB-断开，VTB+和VTA-导通。

34. 双极性控制方式下的工作过程为： 在负载电流比较大的情况下，当uco>utri，触发VTA+和VTB-导通，直流电源经过VTA+、负载和VTB-构成电流回路，输出电压uo=Ud，电流上升；当uco<utri，使VTA+和VTB-断开，触发VTB+和VTA-，由于是感性负载，电流不能突变，因此负载电流经VDB+和VDA-续流，VTB+和VTA-不能导通，输出电压uo= -Ud，同时电流下降；直至下一个周期触发VTA+和VTB-导通。由此循环往复周期性的工作。

35. 在负载电流较小的情况下，在uco<utri，负载电流经VDB+和VDA-续流，uo= -Ud，续流过程中，电流会下降为0，VDB+和VDA-断开，则VTB+和VTA-导通，故直流输入电源Ud经过VTB+、负载和VTA-构成电流回路，电流变负。当uco>utri，控制信号使VTB+和VTA-断开，触发VTA+和VTB-，由于电感电流不能突变，因此负载电流经VDA+和VDB-续流，使VTA+和VTB-不能导通，uo=Ud，同时电流上升，直至电流上升到0，VDA+和VDB-断开，VTA+和VTB-导通，由此循环往复周期性的工作。

36. 图4-26 双极性PWM方式时的工作波形

37. 输出电压Uo、占空比D、控制电压uco之间的函数关系输出电压Uo、占空比D、控制电压uco之间的函数关系 (4-66) 将式(4-64)代入式(4-66)中得：(4-67) 式中 • 式(4-67)表明，与前面介绍的变换器相似，全桥式开关模式变换器输出电压平均值与输入控制信号是线性关系。事实上，当考虑同一桥臂的两个开关管有导通延迟时间时，输出电压Uo与控制电压uco的关系有轻微的非线性。

38. 输出电压的波形显示输出电压从+Ud变到-Ud。这就是为什么称这种控制方式为双极性PWM控制方式的原因。输出电压的波形显示输出电压从+Ud变到-Ud。这就是为什么称这种控制方式为双极性PWM控制方式的原因。 • 当控制电压uco的大小和极性变化时，式(4-64)中的占空比D1从0到1之间变化，输出电压平均值Uo在-Ud到+Ud之间变化。 • 当Io>0时，平均功率从输入Ud向输出Uo传递；当Io<0时，平均功率从输出Uo向输入Ud传递。

39. 4.6.2 单极性控制方式的PWM 三角波与控制电压uco和-uco进行比较以便分别确定桥臂A和桥臂B的开关信号。其控制规则如下: • 如果uco>utri ，则关断VTA-，触发VTA+(4-68a) • 如果uco<utri ，则关断VTA+，触发VTA- (4-68b) • 如果-uco>utri ，则关断VTB-，触发VTB+ (4-69a) • 如果-uco<utri ，则关断VTB+，触发VTB-(4-69b)

40. 单极性控制方式的工作过程为： 在负载电流比较大的情况下， • 当uco>utri，且-uco<utri ，触发VTA+和VTB-导通，输入电源Ud经过VTA+、负载和VTB-构成电流回路，uo=-Ud，电流上升； • 当uco<utri，使VTA+断开，触发VTA-，但由于是感性负载，电流不能突变，因此负载电流经VDA-和VTB-续流，使VTA-不能导通，uo=0，同时电流下降； • 当uco>utri，且-uco<utri ，触发VTA+和VTB-导通，输入电源Ud经过VTA+、负载和VTB-构成电流回路，uo=-Ud，电流上升； • 当-uco>utri，使VTB-断开，触发VTB+，由于是感性负载，电流不能突变，因此负载电流经VTA+和VDB+续流，使VTB+不能导通，uo=0，同时电流下降；直至下一个周期触发VTA+和VTB-导通。由此循环往复周期性的工作。

41. 图4-27单极性PWM方式时的工作波形

42. 输出电压平均值Uo为 (4-72) • 由式(4-72)可以看出，单极性控制方式的输出电压平均值Uo与控制电压uco成线性关系。 • 当Io>0时，平均功率从输入Ud向输出Uo传递；当Io<0时，平均功率从输出Uo向输入Ud传递。 • 如果两种控制方式的开关频率相同，则由于单极性脉宽调制控制方式的输出电压波形的频率是双极性脉宽调制控制方式的2倍，因此前者有着较好的频率响应和较小的输出电压纹波。

43. (a) 双极性控制方式：输出电压纹波为： (4-74) • (b) 单极性控制方式：输出电压纹波为： (4-77) • 图4-28中给出了在双、单极性控制方式下输出电压纹波Ur，rms/Ud与占空比D的函数关系曲线。由图可见，单极性控制方式有着较小的输出电压纹波。

44. 图4-28 输出电压纹波Ur，rms与输出电压Uo的函数关系曲线

45. 4.7 直流-直流变换器的比较

46. 图4-29 不同的直流-直流变换器的开关利用率

47. 从图4-29可以看出，升压变换器和降压变换器的开关利用率比较高，复合型变换器和全桥式变换器的开关利用率很低。从图4-29可以看出，升压变换器和降压变换器的开关利用率比较高，复合型变换器和全桥式变换器的开关利用率很低。 • 因此，从变换器的开关利用率考虑，通常采用升压变换器或降压变换器。只有在要求输出电压在比输入电压高和低的范围调节，或者要求有负的输出电压时，考虑采用复合型变换器。只有要求变换器必须在四个象限运行时，才使用全桥式直流-直流变换器。

48. 4.8 直流开关电源的应用

49. 直流-直流变换器主要应用在可调的直流电源和电机驱动系统中。在直流电机驱动系统中，一般不加隔离变压器，因此前几节介绍的几种主要直流-直流变换器可以直接应用在电机驱动系统中；而开关模式直流电源通常需要加入隔离变压器，直流开关电源常常需要满足下面的要求：直流-直流变换器主要应用在可调的直流电源和电机驱动系统中。在直流电机驱动系统中，一般不加隔离变压器，因此前几节介绍的几种主要直流-直流变换器可以直接应用在电机驱动系统中；而开关模式直流电源通常需要加入隔离变压器，直流开关电源常常需要满足下面的要求： 1．当输入电压和负载变化时，输出电压必须能在容差范围内保持不变或输出电压可调。 2．输出与输入之间需要电气隔离。 3．某些场合可能要求有多路输出电压，有些场合要求各输出间也要电气隔离。

50. 4.8.1 带有电气隔离的直流-直流变换器 • 输入交流电经二极管整流器整流成不可调的直流电压。在输入处用了一个抑制电磁干扰的滤波器来避免电磁干扰。直流-直流变换器把固定的直流电经脉宽调制变换成高频脉冲电压，然后通过隔离变压器副边的整流和滤波电路得到直流电压Uo。由PWM控制器驱动直流-直流变换器的开关管，通过反馈控制得到要求的直流输出电压。反馈控制电路的电气隔离可以通过变压器也可以用光电耦合器实现。