第5章直直变换器ppt课件

5.1 直流变换电路概述直流变换电路概述一一.直流变换器概念直流变换器概念（1）直直变换的定义）直直变换的定义:将输入固定直流电压的电能变为负载所需要的另一固定电压或可调将输入固定直流电压的电能变为负载所需要的另一固定电压或可调电压的直流电能（称为电压的直流电能（称为DC/DC变换），完成直流变换），完成直流/直流变换的装置为直直流变换的装置为直直变换器（直变换器（DC/DC变换器）；变换器）；（2）直直变换器的工作原理）直直变换器的工作原理:通过控制电路周期性地对通过控制电路周期性地对DC/DC变换主电路的电力电子器件快速通变换主电路的电力电子器件快速通断控制，将输入的直流电压斩成一系列幅值相等的脉冲电压，改变脉断控制，将输入的直流电压斩成一系列幅值相等的脉冲电压，改变脉冲列的脉冲宽度或频率，并经过冲列的脉冲宽度或频率，并经过LC低通滤波器处理以后实现对输出电低通滤波器处理以后实现对输出电压平均值的调节。压平均值的调节。（3）直直变换器的一般结构：）直直变换器的一般结构：直流电源DC-DC变换器负载控制电路dUoUUg二二.直直变换电路的分类直直变换电路的分类1.降压电路降压电路升压电路升压电路升降压电路升降压电路 或或douu douu douu douu 单象限电路单象限电路双象限电路双象限电路四象限电路四象限电路2.均为一个方向和 其中之一改变方向 均改变方向00,IU0U0I00,IU 非隔离型非隔离型隔离型隔离型3.三三.理想直直变换器应具备的性能理想直直变换器应具备的性能1.输入输出端的电压均为平滑直流输入输出端的电压均为平滑直流,无交流谐波分量无交流谐波分量2.输出阻抗为零输出阻抗为零3.快速动态响应快速动态响应,抑制干扰能力强抑制干扰能力强4.高效率小型化高效率小型化四四.直直变换器的控制方式（脉冲宽度调制控制）直直变换器的控制方式（脉冲宽度调制控制）根据直直变换器输出电压是导通时间和周期的函数根据直直变换器输出电压是导通时间和周期的函数1.定频调宽控制定频调宽控制2.定宽调频控制（定宽调频控制（PFM）3.调频调宽混合控制调频调宽混合控制PWM控制信号的形成过程 信号波形的比较 PWM控制信号的形成过程 信号波形的比较 PWM控制信号的形成过程 五五.直直变换器的应用直直变换器的应用1.Driving:电车电车,地铁地铁,电动汽车电动汽车,火车火车2.直流电机调速系统（直流电机调速系统（1、2传统直流传动应用，传统直流传动应用，逐渐逐渐）3.照明照明,氙灯氙灯ballast4.开关电源与电源适配器（开关电源与电源适配器（3、4 掌握非隔离型直直变换器和隔离型直直变换器的分析和计掌握非隔离型直直变换器和隔离型直直变换器的分析和计算，非隔离型直直变换器重点掌握降压型和升压型直直变换器算，非隔离型直直变换器重点掌握降压型和升压型直直变换器两种，隔离型直直变换器正激和反激直直变换器两种。最后掌两种，隔离型直直变换器正激和反激直直变换器两种。最后掌握不同类型直流斩波器的原理与特性。握不同类型直流斩波器的原理与特性。本章的重点多种直直变换器的输入输出关系、电路解析方本章的重点多种直直变换器的输入输出关系、电路解析方法、工作特点。法、工作特点。六六.本章掌握内容介绍本章掌握内容介绍5.2 非隔离型直直变换器非隔离型直直变换器1、降压型变换器（、降压型变换器（BUCK Converter)2、升压型变换器（、升压型变换器（BOOST Converter)3、升、升/降压型变换器（降压型变换器（Buck-Boost Converter)4、CUK型变换器（型变换器（CUK Converter)BUCK降压降压直直变换器是一种直直变换器是一种基本基本的的非隔离非隔离DC/DC变换变换器，器，其输出直流电压低于输入其输出直流电压低于输入直流电压，通称为直流电压，通称为BUCK变换变换器器，电路结构如下图：，电路结构如下图：图中：图中：S为功率为功率MOSFET器件，工作在开关状态；若为晶闸管，须有辅助器件，工作在开关状态；若为晶闸管，须有辅助关断电路。关断电路。D为肖特基二极管，为电感电流提供续流回路；为肖特基二极管，为电感电流提供续流回路；电感电感L和电容和电容C组成低通滤波器。组成低通滤波器。为便于电路分析，做出如下假设：为便于电路分析，做出如下假设：（1）忽略）忽略S和和D的导通压降，截止以后的漏电流为零；的导通压降，截止以后的漏电流为零；（2）认为）认为S和和D的通断瞬间完成，不考虑开关时间；的通断瞬间完成，不考虑开关时间；（3）认为电容）认为电容C很大，则输出电压很大，则输出电压Uo保持为恒值；保持为恒值；SL12CD12-+Ud-UaUgUoRL5.2.1 降压型直直变换器降压型直直变换器(BUCK Converter)一、（电感电流连续模式）工作原理与推导一、（电感电流连续模式）工作原理与推导 考虑考虑BUCK变换器工作在稳态且电感电流连续状态，一个变换器工作在稳态且电感电流连续状态，一个周期中根据功率器件周期中根据功率器件S的通断状况变换器可以工作两种模式的通断状况变换器可以工作两种模式：1.S导通模式（导通模式（Ton时段）时段）Lu 等效电路如等效电路如b图所示，此时图所示，此时Ua等于等于Ud,D截止，截止，电感电压电感电压 等于等于Ud-Uo，电感电流，电感电流 线性上升，线性上升，电感储能。电感储能。Li2.S关断模式（关断模式（Toff时段）时段）Lu 等效电路如等效电路如c图所示，由于电感电流不能突图所示，由于电感电流不能突变，则变，则D导通提供电感电流续流通路，导通提供电感电流续流通路，Ua=0，电感电压电感电压 等于等于-Uo，电感电流，电感电流 线性下降，电线性下降，电感释能。感释能。LiL12CUoUd-+Ua+-RLodLUUuLiL12CUoUd-+Ua+-RLoLUuLigUaULuLUUododLUUudaUULionTLUooLUu0aUoffTT占空比：占空比：周周 期：期：)10(DTTDonoffonTTT（a）（b）（c）LiLuSL12CD12-+Ud-UaUgUoRL+-BUCK变换器电压传输比推导（电感电流连续模式）变换器电压传输比推导（电感电流连续模式）电压传输比电压传输比M为输出电压和输入电压的比值，推导为输出电压和输入电压的比值，推导过程基于电感过程基于电感L的特性来进行。当变换器稳态工作时，的特性来进行。当变换器稳态工作时，由于电感不是耗能元件，因此遵循的原则是：由于电感不是耗能元件，因此遵循的原则是：开关开关S导导通时电感储存的能量与开关通时电感储存的能量与开关S关断时释放的能量必须相关断时释放的能量必须相等等。对外表现的特征：。对外表现的特征：（1）伏秒平衡原则）伏秒平衡原则 电感两端的电压与时间的乘积等于电感磁链，稳态电感两端的电压与时间的乘积等于电感磁链，稳态工作时，为避免电感饱和，工作时，为避免电感饱和，一个周期内开关一个周期内开关S导通时电导通时电感的伏秒积必须等于关断时的伏秒积感的伏秒积必须等于关断时的伏秒积，那么电感增加的，那么电感增加的磁链等于减小的磁链。磁链等于减小的磁链。（2）能量平衡原则）能量平衡原则 根据电感储能的表达式，在一个周期开始时电感储根据电感储能的表达式，在一个周期开始时电感储能和结束时的储能相等，表明两个时刻的电流值相等，能和结束时的储能相等，表明两个时刻的电流值相等，那么那么开关开关S导通时电流上升的幅值和关断时电流下降的导通时电流上升的幅值和关断时电流下降的幅值相等。幅值相等。NddtuL22LiLJgUaULuLUUododLUUudaUULionTLUooLUu0aUoffTTrIfIgUaULuLUUododLUUudaUULionTLUooLUu0aUoffTTrIfI利用能量平衡推导利用能量平衡推导开关开关S导通时电感电流上升幅值：导通时电感电流上升幅值：onodrTLUUI)(开关开关S关断时电感电流下降幅值：关断时电感电流下降幅值：offofTLUI已知：已知：frII则：则：DTTUUMondodOUDU利用伏秒平衡推导利用伏秒平衡推导开关开关S导通的伏秒值：导通的伏秒值：onodTUU)(开关开关S关断的伏秒值：关断的伏秒值：offoTU 因此：因此：offoonodTUTUU)(则：则：DTTUUMondodOUDU 根据电压传输比的表达式，在给定输入电压根据电压传输比的表达式，在给定输入电压Ud情况下，调节占空情况下，调节占空比比D可以改变输出电压可以改变输出电压Uo的大小。可以通过的大小。可以通过三种方式三种方式来实现调节：来实现调节：（1）保持周期）保持周期T不变，调节导通时间不变，调节导通时间Ton，即，即定频调宽模式（常用）定频调宽模式（常用）（2）保持导通时间）保持导通时间Ton不变，调节周期不变，调节周期T，即，即定宽调频模式定宽调频模式（3）同时调节周期）同时调节周期T和导通时间和导通时间Ton，即即调频调宽模式调频调宽模式信号波形的比较 PWM控制信号的形成过程 二、（电感电流断续模式）工作原理与推导二、（电感电流断续模式）工作原理与推导LiLuSL12CD12-+Ud-UaUgUoRL+-当电流断续时，该电路在1个开关周期内经历3个工作状态 工作状态1（S接通）工作状态2（S断开）工作状态3（电感电流为零）1、电感电流断续时电路的周期工作过程分析工作状态1（t0t1时段）：开关S于t0时刻接通，并保持通态直到t1时刻，在这一阶段，由于UiU。，故电感L的电流不断增长。二极管D处于断态。工作状态2（t1t2时段）：开关S于t1时刻断开，二极管D导通，电感通过D续流，电感电流不断减小。工作状态3（t2t3时段）：t2时刻电感电流减小到零，二极管D关断，电感电流保持零值，并且电感两端的电压也为零，直到t3时刻开关S再次接通，下一个开关周期开始。2、电流临界连续时电路参数分析 临界状态时的工作波形 u电感电流在一个开关周期内的波形正好是一个三角形，其面积为：MS12LAITu电感电流在一个开关周期内的平均值：M12LLIIu电感电流峰值为：ioddLiLUUtioMSLUUIDTLu临界连续仍有：oiUDUu整理得到临界连续电感电流平均值：MoS1LDIU TLoS12LDIU TLu由于：电容C在开关周期内的平均电流为零，电感电流iL在一个开关周期内的平均值等于负载电流：ooUIRu电感电流连续的条件为：oLIIooS12UDU TRLS12LDRT3、电感电流断续时电压传输比推导 电感电流断续时的工作波形 S断开后电感的续流时间为TS，其中0(1-D)u根据电感利用伏秒平衡原则有：根据电感利用伏秒平衡原则有：ioSoS()UUDTUTu电感电流在一个开关周期内的平均值：M1()2LLIIDu负载电流等于电感电流的平均值有：ooUIRoM1()2LUIDRu电感电流峰值：ioMSLUUIDTLu整理以上得：iooiSo()12UUUUDTDLUR2ii2ooS20UULUUD T Ru整理以上得：u求解上式得：oi1 412UKUK2S2LKD T R令 电压传输比与占空比D和负载R相关，也与电路参数L和TS有关。与占空比D为非线性关系。三三.BUCK变换器的应用变换器的应用 BUCK变换器广泛用于手机、变换器广泛用于手机、PDA、MP3、PMP、PDVD等便携式设备。下图是为等便携式设备。下图是为PMP的供电结构框图。的供电结构框图。BUCK变换器在通信领域广泛采用的变换器在通信领域广泛采用的3级分布式供电结构中级分布式供电结构中作为后级负载点电源（作为后级负载点电源（POL，point of load）被使用，紧靠负）被使用，紧靠负载为其提供低压大电流电能。已形成完整的市场产品系列。载为其提供低压大电流电能。已形成完整的市场产品系列。Emerson产品产品5.2.2 升压型直直变换器（升压型直直变换器（BOOST Converter)BOOST升压型直直变换器是一种升压型直直变换器是一种基本基本的的非隔离非隔离DC/DC变换器，通变换器，通称为称为BOOST变换器变换器，电路结构如电路结构如下图：下图：图中：图中：S为功率为功率MOSFET器件，工作在开关状态；器件，工作在开关状态；D为肖特基二极管，为电感电流提供续流回路；为肖特基二极管，为电感电流提供续流回路；电感电感L和电容和电容C组成低通滤波器。组成低通滤波器。为便于电路分析，做出如下假设：为便于电路分析，做出如下假设：（1）忽略）忽略S和和D的导通压降，截止以后的漏电流为零；的导通压降，截止以后的漏电流为零；（2）认为）认为S和和D的通断瞬间完成，不考虑开关时间；的通断瞬间完成，不考虑开关时间；（3）认为电容）认为电容C很大，则输出电压很大，则输出电压Uo保持为恒值；保持为恒值；C-+UoUd-UaUgRLSL12D12 考虑考虑BOOST变换器工作在稳态且电感电流连续，一个周变换器工作在稳态且电感电流连续，一个周期中根据功率器件期中根据功率器件S的通断状况变换器可以工作两种模式的通断状况变换器可以工作两种模式：1.S导通模式（导通模式（Ton时段）时段）Lu 等效电路如等效电路如b图所示，此时图所示，此时Ua等于等于0,D截止，截止，电感电压电感电压 等于等于Ud，电感电流，电感电流 线性上升，电感线性上升，电感储能储能,电容释放能量给负载。电容释放能量给负载。Li2.S关断模式（关断模式（Toff时段）时段）Lu 等效电路如等效电路如c图所示，由于电感电流不能突图所示，由于电感电流不能突变，则变，则D导通提供电感电流续流通路，导通提供电感电流续流通路，Ua=o，电感电压电感电压 等于等于Ud-Uo，电感电流，电感电流 线性下降，线性下降，电感和电源一起给负载提供能量。电感和电源一起给负载提供能量。LigUaULuLUddLUu0aULionTT占空比：占空比：周周 期：期：)10(DTTDonoffonTTT（a）LiLuC-+UoUd-UaUgRL+-SL12D12dLUuLi（b）C+Ud-UoUaRL-+L12oLUUduLi（c）C+Ud-UoUaRL-+L12LUdUooLUUdu0aUoffT一、（电感电流连续模式）工作原理与推导一、（电感电流连续模式）工作原理与推导 根据电压传输比的表达式，在给定输入电压根据电压传输比的表达式，在给定输入电压Ud情况下，调节占空比情况下，调节占空比D可可以改变输出电压以改变输出电压Uo的大小。可以通过的大小。可以通过三种方式三种方式来实现调节：来实现调节：（1）保持周期）保持周期T不变，调节导通时间不变，调节导通时间Ton，即，即定频调宽模式（常用）定频调宽模式（常用）（2）保持导通时间）保持导通时间Ton不变，调节周期不变，调节周期T，即，即定宽调频模式定宽调频模式（3）同时调节周期）同时调节周期T和导通时间和导通时间Ton，即即调频调宽模式调频调宽模式利用能量平衡推导利用能量平衡推导开关开关S导通时电感电流上升幅值：导通时电感电流上升幅值：ondrTLUI开关开关S关断时电感电流下降幅值：关断时电感电流下降幅值：offdofTLUUI已知：已知：frII则：则：DUUMdo11dOUDU11利用伏秒平衡推导利用伏秒平衡推导开关开关S导通的伏秒值：导通的伏秒值：ondTU 开关开关S关断的伏秒值：关断的伏秒值：offdoTUU)(因此：因此：offdoondTUUTU)(则：则：DUUMdo11dOUDU11gUaULuLUddLUu0aULionTTLUdUooLUUdu0aUoffTrIfIBoost变换器电压传输比推导（电感电流连续模式）变换器电压传输比推导（电感电流连续模式）二、（电感电流断续模式）工作原理与推导二、（电感电流断续模式）工作原理与推导当电流断续时，该电路在1个开关周期内经历3个工作状态 C-+UoUd-UaUgRLSL12D12工作状态1（S接通）工作状态2（S断开）工作状态3（电感电流为零）1、电感电流断续时电路的周期工作过程分析工作状态1（t0t1时段）：开关S于t0时刻接通，并保持通态直到t1时刻，在这一阶段，电感L两端的电压为Ui，电感电流不断增长。二极管D处于断态。工作状态2（t1t2时段）：开关S于t1时刻断开，二极管D导通，电感通过D向电容C释放磁能，电感电流不断减小，电感L两端电压ULUoUi。工作状态3（t2t3时段）：t2时刻电感电流减少到零，二极管D关断，电感电流保持零值，并且电感两端的电压也为零，直到t3时刻开关S再次接通，下一个开关周期开始。2、电流临界连续时电路参数分析 临界状态时的工作波形 u二极管D的电流在开关周期内的临界连续平均值：u电感电流峰值为：u整理得电感电流连续条件为：u由于：电容C在开关周期内的平均电流为零，在稳态条件下的升压型电路中，二极管D的电流在一个开关周期内的平均值等于负载电流o：ooUIR oSM(1)LU DD TILDM1(1)2LIID2oS(1)2U DDTLoID 2ooS(1)2UU DDTRL2S(1)2LDDRT3、电感电流断续时电压传输比推导 电感电流断续时的工作波形 S断开后电感的续流时间为TS，其中0(1-D)u根据电感利用伏秒平衡原则有：根据电感利用伏秒平衡原则有：u二极管D的电流在一个开关周期内的平均值：u负载电流等于二极管D电流的平均值有：ooUIRu电感电流峰值：u整理以上得：u整理以上得：u求解上式得：令 电压传输比与占空比D和负载R相关，也与电路参数L和TS有关。i SoiS()U DTUUTDM12LIIoM 12LUIR iSoioi1 2U D TUUDLUUR2i22 oioS 2ULUU UDT Roi4112UKU2 S 2LKD T RLDTUIsiLM三三.Boost变换器的应用变换器的应用 BOOST变换器广泛用于手机、变换器广泛用于手机、PDA、MP3、PMP、PDVD等便携式设备显示电源。下图是为等便携式设备显示电源。下图是为PMP的供电结构框图。的供电结构框图。BOOST变换器广泛用于中小功率电力电子装置的有源功变换器广泛用于中小功率电力电子装置的有源功率因数校正环节。率因数校正环节。5.2.3 升升/降压直直变换器降压直直变换器(Buck-Boost Converter)导通时，二极管D反向偏置，电源i经S向L供电使其贮能，同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电，电感电流上升，电感储能。关断时，二极管D 导通，L的能量向负载释放，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性直直变换电路。电容C足够大，可认为输出电压恒定。升降压型直直变换器主要应用于开关稳压电源中，输出负极性电压，输出电压可以高于或低于输入电压。一、（电感电流连续模式）工作原理与推导一、（电感电流连续模式）工作原理与推导（S S 接通）接通）（S S 断开）断开）电感电流连续模式时，电路在1个开关周期内经历2个工作状态。工作状态工作状态 1 1（t t0 0t tl l 时段）：开关时段）：开关 S S 于于 t t0 0 时刻接通，并保持通态直到时刻接通，并保持通态直到 t tl l 时刻，在这一时刻，在这一阶段，电感阶段，电感 L L 两端的电压为两端的电压为 U Ui i，电感电流不，电感电流不断增长。二极管断增长。二极管 D D 处于断态。处于断态。工作状态工作状态 2 2（t t1 1t t2 2 时段）：开关时段）：开关 S S 于于 t t1 1 时刻断开，二极管时刻断开，二极管 D D 导通，电感导通，电感 L L 向电容向电容 C C 释放磁能，电感电流不断减小，电感释放磁能，电感电流不断减小，电感 L L 两端两端的电压为的电压为 U Uo o。直到。直到 t t2 2 时刻开关时刻开关 S S 再次开通，再次开通，下一个开关周期开始。下一个开关周期开始。稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即Ttu0L0d所以输出电压为：iiiUDDUtTtUttU1ononoffonoS处于通态uL=iS处于断态uL=-UooffoontUtUi 当当00DD1/21/2时为时为降压降压，当，当1/21/2DD11时为时为升压升压，故称作升降压变换电，故称作升降压变换电路。也有称之为路。也有称之为升降压变换器升降压变换器。(U(Uo o输出反极性输出反极性)电压传输比推导（电感电流连续模式）电压传输比推导（电感电流连续模式）二、（电感电流断续模式）工作原理与推导二、（电感电流断续模式）工作原理与推导当电流断续时，该电路在1个开关周期内经历3个工作状态 工作状态工作状态 1 1（S S 接通）接通）工作状态工作状态 2 2（S S 断开）断开）工作状态工作状态 3 3（电感电流为零）（电感电流为零）1、电感电流断续时电路的周期工作过程分析工作状态工作状态 1 1（t0t0t1t1 时段）：开关时段）：开关 S S 于于 t0t0 时刻接通，并时刻接通，并保持通态直到保持通态直到 tl tl 时刻，在这一阶段，电感时刻，在这一阶段，电感 L L 两端的电压为两端的电压为 UiUi，电感电流不断增长。二极管，电感电流不断增长。二极管 DD 处于断态。处于断态。工作状态工作状态 2 2（t1t1t2t2 时段）：开关时段）：开关 S S 于于 t1t1 时刻断开，二时刻断开，二极管极管 D D 导通，电感通过导通，电感通过 DD 向电容向电容 C C释放磁能，电感电流不释放磁能，电感电流不断减小，电感断减小，电感 L L 两端的电压为两端的电压为 UoUo。工作状态工作状态 3 3（t2t2t3t3 时段）：时段）：t2t2 时刻电感电流减小到零，时刻电感电流减小到零，二极管二极管 DD 关断，电感电流保持零值，并且电感两端的电压关断，电感电流保持零值，并且电感两端的电压也为零，直到也为零，直到 t3t3 时刻开关时刻开关 S S 再次接通，下一个开关周期开再次接通，下一个开关周期开始。始。2、电流临界连续时电路参数分析 临界状态时的工作波形 u二极管D的电流在开关周期内的临界连续平均值：u电感电流峰值为：u整理得电感电流连续条件为：u由于：电容C在开关周期内的平均电流为零，升降压型电路中二极管电流在一个开关周期内的平均值等于负载电流Io：ooUIR oID iSMLU DTILDM1(1)2LIID2oS(1)2UDTL 2ooS(1)2UUD TRL-2S(1)2LDRT3、电感电流断续时电压传输比推导 电感电流断续时的工作波形 S断开后电感的续流时间为TS，其中0(1-D)u根据电感利用伏秒平衡原则有：根据电感利用伏秒平衡原则有：u二极管D的电流在一个开关周期内的平均值：u负载电流等于二极管D电流的平均值有：ooUIR u电感电流峰值：u整理以上得：u整理以上得：u求解上式得：令 电压传输比与占空比D和负载R相关，也与电路参数L和TS有关。iSoSU DTUT DM12LIIoM12LUIR iSMLU DTILiSoio1 2U DTUUDLUR2i2oS2ULUD T Roi1UUK 2S2LKD T R5.2.4 S导通、导通、D截止时，截止时，UiLS回路和回路和RL1C1S回路有电回路有电流。电感流。电感L储能，电容储能，电容C1释放能量给负载和释放能量给负载和L1，电感，电感L1储能。储能。S关断、关断、D导通时，导通时，UiLC1D回路和回路和RL1D回路有电回路有电流。电感流。电感L和电源和电源Ui将能量释放给电容将能量释放给电容C1，电感，电感L1释放能量给释放能量给负载。负载。输出电压的极性与电源电压极性相反。输出电压的极性与电源电压极性相反。假设电容假设电容C1很大，两端电压很大，两端电压UC1保持不变保持不变 Cuk Cuk 变换器可输出相对于输入电压为负极性的电压，电变换器可输出相对于输入电压为负极性的电压，电路中电容路中电容 C C1 1 用于存储能量并把输入能量传送到输出端。用于存储能量并把输入能量传送到输出端。1、（电感电流连续模式）工作周期过程分析、（电感电流连续模式）工作周期过程分析电感电流都连续的情况下，电路在电感电流都连续的情况下，电路在 1 1 个开关周期内经历个开关周期内经历 2 2 个工作状态个工作状态。S S 接通接通 S S 断开断开 工作状态工作状态 1 1（t0t0t1t1 时段）：开时段）：开关关 S S 为通态，为通态，D D 断开，断开，L L 和和 L L1 1 的的电流均增加。电流均增加。工作状态工作状态 2 2（t1t1t2t2 时段）：开时段）：开关关 S S 为断态，为断态，D D 导通，导通，L L 经经 UiUi、DD、C1C1 回路续流，回路续流，L1L1 经经 DD 和和 C C 续流。续流。2、电压传输比推导、电压传输比推导(利用电感伏秒平衡利用电感伏秒平衡)电感电感 L L 和和 L L1 1 两端电压在一个开关周期内的两端电压在一个开关周期内的平均值平均值为：为：ii111oo()(1)()(1)LCLCUU DUUDUUUDUD伏秒平衡伏秒平衡UL0 UL10 求解上式得：求解上式得：oi1UDUD-负号表示输出电压与输入电压极性相反，其输出电压既负号表示输出电压与输入电压极性相反，其输出电压既可以高于其输入电压，也可以低于其输入电压。可以高于其输入电压，也可以低于其输入电压。优点优点（与升降压变换电路相比）：（与升降压变换电路相比）：输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很 小，有利于对输入、输出进行滤波小，有利于对输入、输出进行滤波。5.3 隔离型直直变换器隔离型直直变换器1、单端正激型变换器（、单端正激型变换器（Forward Converter)2、单端反激型变换器（、单端反激型变换器（Flyback Converter)3、推挽型变换器（、推挽型变换器（Push-Pull Converter)4、半桥型变换器（、半桥型变换器（Half-Bridge Converter)5、全桥型变换器（、全桥型变换器（Full-Bridge Converter)5.3.1 单端正激型变换器单端正激型变换器（Forward Converter)单端正激型变换器结构如下图所示，图中变压器的第三绕单端正激型变换器结构如下图所示，图中变压器的第三绕组为去磁（复位绕组），其作用是将变压器铁芯中存储的能量组为去磁（复位绕组），其作用是将变压器铁芯中存储的能量（激磁能量）反送到电源中去。（激磁能量）反送到电源中去。因为变压器的存在，输入和因为变压器的存在，输入和输出端没有直接的电联系，实现了电气隔离输出端没有直接的电联系，实现了电气隔离。导通时，通过变压器1-2绕组将电能耦合到输出端，输出端二极管D1导通，D2截止，将能量释放给电感L和负载。关断时，二极管D3导通，通过第3绕组给变压器进行磁复位，二极管D1截止，D2导通，电感L将能量释放给负载。电容C1、C2足够大，可认为输入、输出电压恒定。变压器匝数为：321www、一、（电感电流连续模式）工作原理与推导一、（电感电流连续模式）工作原理与推导电感电流连续状态时电路在电感电流连续状态时电路在 1 1 个开关周期内经历个开关周期内经历 2 2 个工作状态个工作状态 S 接通接通 状态状态S 断开断开 状态状态1、电感电流连续时电路的周期工作过程分析工作状态工作状态 1 1（t0t0t1t1 时段）：时段）：t0t0 时刻，开关时刻，开关 S S 接通，变接通，变压器绕组压器绕组 1 1 两端的电压为上正下负，与其耦合的绕组两端的电压为上正下负，与其耦合的绕组 2 2 两两端的电压也是上正下负。因此端的电压也是上正下负。因此 D1D1 处于通态，处于通态，D2D2 为断态，为断态，电感电感 L L 的电流逐渐增长，直到的电流逐渐增长，直到 t1t1 时刻，开关时刻，开关 S S 断开；断开；工作状态工作状态 2 2（t1t1t2t2 时段）：时段）：t1t1 时刻，开关时刻，开关 S S 断开后，断开后，电感电感 L L 通过通过 D2D2 续流，续流，D1D1 关断，关断，L L 的电流逐渐下降。的电流逐渐下降。S S承承受的关断电压为：受的关断电压为：S 接通接通 状态状态S 断开断开 状态状态1Si31wuUw变压器磁心复位：变压器磁心复位：变压器的励磁电流变压器的励磁电流 i i1 1 由零开始，随着时间的增加而线性增由零开始，随着时间的增加而线性增长，直到长，直到S S 断开。断开。S S 断开后到下一次再开通的一段时间内，断开后到下一次再开通的一段时间内，必须设法使励磁电流降回到零。否则，变压器励磁电流会在必须设法使励磁电流降回到零。否则，变压器励磁电流会在以后周期中逐周累积，导致变压器饱和而损害变压器。以后周期中逐周累积，导致变压器饱和而损害变压器。变压器的绕组变压器的绕组 3 3 和二极管和二极管 DD3 3 组成复位电路组成复位电路。其工作原其工作原理为：理为：开关开关 S S 断开后，变压器励磁电流通过绕组断开后，变压器励磁电流通过绕组 3 3 和和 DD3 3 流回电源，流回电源，并逐渐线性地下降为零。并逐渐线性地下降为零。从从 S S 断开到绕组断开到绕组 3 3 的电流下降到零的电流下降到零所需的时间所需的时间 trst trst，要求关短时间大于复位时间。，要求关短时间大于复位时间。2、电压传输比推导(利用电感伏秒平衡)开关开关S导通的伏秒值：导通的伏秒值：onoiTUwwU)(12开关开关S关断的伏秒值：关断的伏秒值：offoTU因此：因此：offoonoiTUTUwwU)(12则：则：DwwTTwwUUMonio1212iOUwwDU1212wwUi二、（电感电流断续模式）工作原理与推导二、（电感电流断续模式）工作原理与推导当电流断续时，该电路在1个开关周期内经历3个工作状态 工作状态工作状态 1 1（S S 接通）接通）工作状态工作状态 2 2（S S 断开）断开）工作状态工作状态 3 3（电感电流为零）（电感电流为零）1 1、电感电流断续时电路的周期工作过程分析、电感电流断续时电路的周期工作过程分析工作状态工作状态 1 1（t0t0t1t1 时段）：时段）：t0t0时刻，开关时刻，开关S S接通，变压接通，变压器绕组器绕组 1 1 两端的电压为上正下负，与其耦合的绕组两端的电压为上正下负，与其耦合的绕组 2 2 两端两端的电压也是上正下负。因此，的电压也是上正下负。因此，DlDl处于通态，处于通态，D2D2为断态，电为断态，电感感 L L 的电流逐渐增长，直到的电流逐渐增长，直到 t1t1 时刻，时刻，S S 断开。断开。工作状态工作状态 2 2（t1t1t2t2 时段）：时段）：t1t1 时刻，开关时刻，开关 S S 断开后，断开后，电感电感 L L 通过通过 D2D2 续流，续流，DlDl 关断，关断，L L 的电流逐渐下降，直到的电流逐渐下降，直到 t2t2 时刻，电感电流降到零。时刻，电感电流降到零。工作状态工作状态 3 3（t2t2t3t3 时段）：时段）：电感电流下降到零后，二极电感电流下降到零后，二极管管 D2D2 关断，电容关断，电容 C C 向负载提供能量，直到向负载提供能量，直到 t3t3 时刻，开关时刻，开关 S S 再次接通。再次接通。2、电路参数计算 u输入输出电压传输比：u电感电流临界连续的条件：S12LDRTo2i1141 2UwKUwK2S2 LKDT R总结：总结：正激型电路简单可靠，广泛用于功率为数百瓦至数千正激型电路简单可靠，广泛用于功率为数百瓦至数千瓦的开关电源中；但该电路中变压器的工作点仅处于磁化曲瓦的开关电源中；但该电路中变压器的工作点仅处于磁化曲线平面的第线平面的第 1 1 象限，变压器没有得到充分利用象限，变压器没有得到充分利用 。5.3.2 单端反激型变换器单端反激型变换器（Flyback Converter)单端反激型变换器结构如下图所示，该电路可以看成是将单端反激型变换器结构如下图所示，该电路可以看成是将升降压型电路中的电感换成变压器绕组升降压型电路中的电感换成变压器绕组 1 1 和绕组和绕组 2 2 相互耦合相互耦合的电感而得到的，变压器工作在储能方式。的电感而得到的，变压器工作在储能方式。因为变压器的存在，因为变压器的存在，输入和输出端没有直接的电联系，实现了电气隔离输入和输出端没有直接的电联系，实现了电气隔离。导通时，通过变压器原边1绕组储存能量，输出端二极管D截止，输出电容储能提供给负载。关断时，二极管D导通，储存在变压器中的能量通过副边绕组释放给输出电容(储能）和负载。变压器不存在复位问题变压器匝数为：21ww、一、（电感电流连续模式）工作原理与推导一、（电感电流连续模式）工作原理与推导电感电流连续状态时电路在电感电流连续状态时电路在 1 1 个开关周期内经历个开关周期内经历 2 2 个工作状态个工作状态 S 接通接通 状态状态S 断开断开 状态状态1、电感电流连续时电路的周期工作过程分析工作状态工作状态 1 1（t0t0t1t1 时段）：开关时段）：开关 S S 开通后，二极管开通后，二极管 DD 处于断态，绕组处于断态，绕组 1 1 的电流线性增长，其电感储能增加。的电流线性增长，其电感储能增加。工作状态工作状态 2 2（t1t1t2t2 时段）：开关时段）：开关 S S 关断后，绕组关断后，绕组 1 1 中中的电流被切断，变压器中的磁场能量通过绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过绕组 2 2 和二极管和二极管 DD 向输出端释放（变压器不存在复位问题）。向输出端释放（变压器不存在复位问题）。S S承受的关断承受的关断电压为：电压为：S 接通接通 状态状态S 断开断开 状态状态1Sio2wuUUw2、电压传输比推导(利用电感伏秒平衡)开关开关S导通的（原边绕组）伏秒值：导通的（原边绕组）伏秒值：开关开关S关断的（原边绕组）伏秒值：关断的（原边绕组）伏秒值：offoTwwU21因此：因此：offooniTwwUTU21则：则：DDwwTTTwwTTwwUUMONonoffonio1121212iOUwwDDU12121wwUooniTU二、（电感电流断续模式）工作原理与推导二、（电感电流断续模式）工作原理与推导当电流断续时，该电路在1个开关周期内经历3个工作状态 工作状态工作状态 1 1（S S 接通）接通）工作状态工作状态 2 2（S S 断开）断开）工作状态工作状态 3 3（电感电流为零）（电感电流为零）1 1、电感电流断续时电路的周期工作过程分析、电感电流断续时电路的周期工作过程分析工作状态工作状态 1 1（t0t0t1t1 时段）：开关时段）：开关 S S 开通后，二极管开通后，二极管 DD 处于断态，绕组处于断态，绕组 1 1 的电流线性增长，电感储能增加。的电流线性增长，电感储能增加。工作状态工作状态 2 2（t1t1t2t2 时段）：开关时段）：开关 S S 关断后，绕组关断后，绕组 1 1 中中的电流被切断，变压器中的磁场能量通过绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过绕组 2 2 和二极管和二极管 DD 向输出端释放，直到向输出端释放，直到 t2t2 时刻，变压器中的磁场能量释放时刻，变压器中的磁场能量释放完毕，绕组完毕，绕组 2 2 中电流下降到零，中电流下降到零，DD 关断。关断。工作状态工作状态 3 3（t2t2t3t3 时段）：时段）：绕组绕组 1 1 和绕组和绕组 2 2 中电流均中电流均为零，电容为零，电容 C C 向负载提供能量。向负载提供能量。2、电路参数计算 u输入输出电压传输比：u电感电流临界连续的条件：总结：总结：反激型变换器电路的结构最为简单，元器件数少，因此成本较低，反激型变换器电路的结构最为简单，元器件数少，因此成本较低，广泛应用于数瓦至数十瓦的小功率开关电源中；但该电路变压器的工作广泛应用于数瓦至数十瓦的小功率开关电源中；但该电路变压器的工作点也仅处于磁化曲线平面的第点也仅处于磁化曲线平面的第 1 1 象限，变压器利用率低，而且开关器件象限，变压器利用率低，而且开关器件承受的电流峰值很大，不适合用于较大功率的开关电源。承受的电流峰值很大，不适合用于较大功率的开关电源。2S(1)2LDR To2i11UwUwK2S2LKD T R5.3.3 推挽型变换器推挽型变换器（Push-Pull Converter)推挽型变换器结构如下图所示，变压器原副边采用中心抽头结构，原推挽型变换器结构如下图所示，变压器原副边采用中心抽头结构，原边上下两半绕组匝数相同，副边上下两半绕组匝数亦相同边上下两半绕组匝数相同，副边上下两半绕组匝数亦相同。两个开关S1和S2交替导通，在绕组1和绕组1两端分别形成相位相反的交流电压。开关S1导通时，二极管D1处于通态，开关S2导通时，二极管D2处于通态，当两个开关都关断时，二极管D1和D2都处于通态，各分担电感电流的一半（原边电流为零，磁动势平衡，副边电流大小相等、方向相反）。开关开关 S1 或或 S2 导通时，电感导通时，电感 L 的电流逐渐上升；两个开关都关断时，电感的电流逐渐上升；两个开关都关断时，电感 L 的电流逐渐下降。的电流逐渐下降。开关开关 S1 和和 S2 断态时承受的峰值电压均为断态时承受的峰值电压均为 2Ui变压器原副半绕组匝数：21ww、一、（电感电流连续模式）工作原理与推导一、（电感电流连续模式）工作原理与推导电感电流连续状态时电路在电感电流连续状态时电路在 1 1 个开关周期内经历个开关周期内经历4 4 个工作状态个工作状态 工作状态工作状态1（S 1接通接通状态）状态）工作状态工作状态2（D1/D2续流续流状态）状态）工作状态工作状态3（S 2接通接通状态）状态）工作状态工作状态4（D1/D2续流续流状态）状态）若开关若开关 S1 与与 S2 的导通时间不对称，变压器一次侧绕组存在偏磁饱和危险的导通时间不对称，变压器一次侧绕组存在偏磁饱和危险开关开关 S1 和和 S2 不能同时处于通态（避免一次绕组短路），每个开关导通时间不能同时处于通态（避免一次绕组短路），每个开关导通时间小于周期的小于周期的50%（留有死区）（留有死区）1、电感电流连续时电路的周期工作过程分析工作状态工作状态 1 1（t0t0t1t1 时段）：时段）：开关开关 S1S1 接通，二极管接通，二极管 D1D1 导通导通，电感电流流经变压器绕组，电感电流流经变压器绕组 2 2、二极管、二极管 D1D1、滤波电容、滤波电容 C C 及负载及负载 R R，电感电流增长。，电感电流增长。工作状态工作状态 2 2（t1t1t2t2 时段）：时段）：所有开关都处于断态所有开关都处于断态，变压，变压器绕组器绕组 1 1 中的电流为零，电感通过中的电流为零，电感通过 D1D1 和和 D2D2 续流，每个二续流，每个二极管流过电感电流的一半。电感极管流过电感电流的一半。电感 L L 的电流逐渐下降。的电流逐渐下降。工作状态工作状态 3 3（t2t2t3t3 时段）：开关时段）：开关 S2S2 接通，二极管接通，二极管 D2D2 导通，电感电流流经变压器绕组导通，电感电流流经变压器绕组 2 2、二极管、二极管 D2D2、滤波电容、滤波电容 C C 及负载及负载 R R，电感电流增长。，电感电流增长。工作状态工作状态 4 4（t3t3t4t4 时段）：与工作状态时段）：与工作状态 2 2 相同。相同。工作状态工作状态1工作状态工作状态2-4工作状态工作状态32、电压传输比推导(利用电感伏秒平衡)开关开关S1导通的伏秒值：导通的伏秒值：开关开关S1关断（关断（D1/D2续流）的伏秒值：续流）的伏秒值：因此：因此：则：则：2/sonTtD 因为工作状态因为工作状态1、2和工作状态和工作状态3、4为对称关系，取半个周期计算：为对称关系，取半个周期计算：onoiTUwwU)(12offoTUoffoonoiTUTUwwU)(12DwwTTwwUUMonio12122/二、（电感电流断续模式）工作原理与推导二、（电感电流断续模式）工作原理与推导电感电流断续状态时电路在电感电流断续状态时电路在 1 1 个开关周期内经历个开关周期内经历6 6 个工作状态个工作状态 工作状态工作状态1（S 1接通接通状态）状态）工作状态工作状态2（D1/D2续流续流状态）状态）工作状态工作状态4（S 2接通接通状态）状态）工作状态工作状态5（D1/D2续流续流状态）状态）工作状态工作状态3（电感电流为零（电感电流为零）工作状态工作状态6（电感电流为零（电感电流为零）1 1、电感电流断续时电路的周期工作过程分析、电感电流断续时电路的周期工作过程分析工作状态工作状态 1 1（t0t0t1t1 时段）：时段）：开关开关 S1S1 接通，二极管接通，二极管 D1D1 导通导通，电感电流流经变压器绕组，电感电流流经变压器绕组 2 2、二极管、二极管 D1D1、滤波电容、滤波电容 C C 及负载及负载 R R，电感电流增长。，电感电流增长。工作状态工作状态 2 2（t1t1t2t2 时段）：时段）：所有开关都处于断态所有开关都处于断态，变压，变压器绕组器绕组 1 1 中的电流为零，电感通过中的电流为零，电感通过 D1D1 和和 D2D2 续流，每个二续流，每个二极管流过电感电流的一半。电感极管流过电感电流的一半。电感 L L 的电流逐渐下降。的电流逐渐下降。工作状态工作状态 3 3（t2t2t3t3 时段）：时段）：电感电流保持零值电感电流保持零值，电容，电容 C C 向负载向负载 R R 供电。直到供电。直到 t3t3 时刻，开关时刻，开关 S2S2 接通。接通。工作状态工作状态4 4（t3t3t4t4 时段）：开关时段）：开关 S2S2 接通，二极管接通，二极管 D2D2 导通，电感电流流经变压器绕组导通，电感电流流经变压器绕组 2 2、二极管、二极管 D2D2、滤波电容、滤波电容 C C 及负载及负载 R R，电感电流增长。，电感电流增长。工作状态工作状态 5 5（t4t4t5t5 时段）：与工作状态时段）：与工作状态 2 2 相同。相同。工作状态工作状态 6 6（t5t5t6t6 时段）：与工作状态时段）：与工作状态 3 3 相同。相同。2、电路参数计算 u输入输出电压传输比：u电感电流临界连续的条件：o2i1141 2UwKUwK总结：总结：应用于中等功率等级，需要解决原边绕组偏磁问题。应用于中等功率等级，需要解决原边绕组偏磁问题。S1/22LDRT 2S2/2LKD RT5.3.4 半桥型变换器半桥型变换器（Half Bridge Converter)半桥型变换器结构如下图所示，变压器副边采用中心抽头结构，变压半桥型变换器结构如下图所示，变压器副边采用中心抽头结构，变压器一次侧两端分别连接在电容器一次侧两端分别连接在电容 C1C1、C2C2 的连接点和开关的连接点和开关 SlSl、S2S2 的连接点的连接点。电容C1、C2的电压均为Ui/2。（实际应用中要求电压均衡）S1 开通、开通、S2 关断时，关断时，C1 上储能经变压器传递到二次侧，此时电源经上储能经变压器传递到二次侧，此时电源经 S1、变压器向变压器向 C2 充电，充电，C2 储能增加储能增加。S1 关断、关断、S2 导通时，导通时，C2 上储能经变压器传递到二次侧，此时电源经变压上储能经变压器传递到二次侧，此时电源经变压器、器、S2 向向 C1 充电，充电，C1 储能增加。储能增加。开关开关 S1 和和 S2 断态时承受的峰值电压均为断态时承受的峰值电压均为 UiSl 与与 S2 交替导通，使变压器一次侧形成幅值为交替导通，使变压器一次侧形成幅值为 Ui/2 的交流电压，变压器的交流电压，变压器二次侧电压经二次侧电压经 D1、D2 整流，整流，L、C 滤波后即得到直流输出电压。滤波后即得到直流输出电压。原边绕组匝数：1w2w副边半绕组匝数：一、（电感电流连续模式）工作原理与推导一、（电感电流连续模式）工作原理与推导电感电流连续状态时电路在电感电流连续状态时电路在 1 1 个开关周期内经历个开关周期内经历4 4 个工作状态个工作状态 工作状态工作状态1（S 1接通接通状态）状态）工作状态工作状态2（D1/D2续流续流状态）状态）工作状态工作状态3（S 2接通接通状态）状态）工作状态工作状态4（D1/D2续流续流状态）状态）为了避免上下两开关在换相过程中发生为了避免上下两开关在换相过程中发生“直通直通”而造成短路损坏开关，每个而造成短路损坏开关，每个开关各自的导通时间不能超过开关各自的导通时间不能超过周期的周期的50%，并应留有裕量。，并应留有裕量。1、电感电流连续时电路的周期工作过程分析工作状态工作状态 1 1（t0t0t1t1 时段）：时段）：开关开关 SlSl 导通时，二极管导通时，二极管 DlDl 处于通态处于通态，电感电流流经变压器绕组，电感电流流经变压器绕组 2 2、二极管、二极管 D1D1 和滤波和滤波电容电容 C C 及负载及负载 R R，电感电流增长。，电感电流增长。工作状态工作状态 2 2（t1t1t2t2 时段）：时段）：开关开关 SlSl、S2S2 都处于断态都处于断态，D1D1 和和 D2D2 都处于通态，各分担一半的电流。电感都处于通态，各分担一半的电流。电感 L L 的电流的电流逐渐下降。逐渐下降。工作状态工作状态 3 3（t2t2t3t3 时段）：开关时段）：开关 S2S2 导通时，二极管导通时，二极管 D2D2 处于通态，电感电流流经变压器绕组处于通态，电感电流流经变压器绕组 2 2、二极管、二极管 D2D2 和和滤波电容滤波电容 C C 及负载及负载 R R，电感电流增长。，电感电流增长。工作状态工作状态 4 4（t3t3t4t4 时段）：与工作状态时段）：与工作状态 2 2 相同。相同。工作状态工作状态1工作状态工作状态2-4工作状态工作状态32、电压传输比推导(利用电感伏秒平衡)开关开关S1导通的伏秒值：导通的伏秒值：开关开关S1关断（关断（D1/D2续流）的伏秒值：续流）的伏秒值：因此：因此：则：则：2/sonTtD 因为工作状态因为工作状态1、2和工作状态和工作状态3、4为对称关系，取半个周期计算：为对称关系，取半个周期计算：onoiTUwwU)2(12offoTUoffoonoiTUTUwwU)21(12DwwTTwwUUMonio1212212/21二、（电感电流断续模式）工作原理与推导二、（电感电流断续模式）工作原理与推导电感电流断续状态时电路在电感电流断续状态时电路在 1 1 个开关周期内经历个开关周期内经历6 6 个工作状态个工作状态 工作状态工作状态1（S 1接通接通状态）状态）工作状态工作状态2（D1/D2续流续流状态）状态）工作状态工作状态4（S 2接通接通状态）状态）工作状态工作状态5（D1/D2续流续流状态）状态）工作状态工作状态3（电感电流为零（电感电流为零）工作状态工作状态6（电感电流为零（电感电流为零）1 1、电感电流断续时电路的周期工作过程分析、电感电流断续时电路的周期工作过程分析工作状态工作状态 1 1（t0t0t1t1 时段）：时段）：t0t0 时刻，开关时刻，开关 SlSl 接通，绕组接通，绕组 1 1 两端的电压为上正下负，绕组两端的电压为上正下负，绕组 2 2 两端的电压也是上正下负，两端的电压也是上正下负，DlDl 处于通态，处于通态，D2D2 为断态。电感为断态。电感 L L 的电流逐渐增长。的电流逐渐增长。工作状态工作状态 2 2（t1t1t2t2 时段）：时段）：开关开关 SlSl、S2S2都处于断态都处于断态，变压，变压器绕组器绕组 1 1 中的电流为零，电感通过中的电流为零，电感通过 D1D1 和和 D2D2 续流，每个二极续流，每个二极管流过电感电流的一半。电感管流过电感电流的一半。电感 L L 的电流