5DC-DC变换技术课案.ppt

第5章 DC-DC变换技术 §5.1 概述 §5.2 DC-DC变换器的基本电路拓扑 §5.3 带变压器隔离的DC-DC变换器原理§5.4 PWM控制器原理 §5.1 概述 将一个不受控制的输入直流电压变换成为另一个受控的输出直流电压称之为DC-DC变换。 随着科学技术的发展，对电子设备的要求是：①性能更加可靠；②功能不断增加；③使用更加方便；④体积日益减小。这些使DC-DC变换技术变得更加重要。目前，DC-DC变换器在计算机、航空、航天、水下行器、通信及电视等领域得到了广泛的应用，同时，这些应用也促进了DC-DC变换技术的进一步发展。 实现DC-DC变换有两种模式，一种是线性调节模式(Linear Regulator)，另一种是开关调节模式（Switching Regulator）。 1、两种调节模式及比较 线性调节器模式如图5-1a所示，在这种模式中晶体管工作在线性工作区，其输出电压为 。晶体管模型可以用可调电阻RT等效，其等效电路如图5-1b所示。显然晶体管功率损耗为 。 开关调节模式如图5-2a所示，其等效电路和输出电压如图5-2b、5-2c所示。 假设：晶体管关断时， ；晶体管导通时 ；则该晶体管为理想开关（Ideal switch），在理想开关情况下，晶体管损耗为零。两种模式的电源方块图如图5-3a和图5-3b所示。 开关调节模式与线性调节模式相比具有明显的特点： 1、功耗小、效率高。在DC-DC变换中，电力半导体器件工作在开关状态，工作频率很高，目前这个工作频率已达到数百甚至1000KHz，这使电力半导体器件功耗减少、效率大幅度提高。 2、体积小、重量轻。由于频率提高，使脉冲变压器、滤波电感、电容的体积、重量大大减小，同时，由于效率提高，散热器体积也减小。还由于DC-DC变换无笨重的工频变压器，所以DC-DC变换体积小、重量轻。 3、稳压范围宽。目前DC-DC变换中基本使用脉宽调制（PWM）技术，通过调节脉宽来调节输出电压，对输入电压变化也可调节脉宽来进行补偿，所以稳压范围宽。 由于电力半导体器件工作在高频开关状态，它所产生的电流和电压会通过各种耦合途径，产生传导干扰和辐射干扰。目前，许多国家包括我国对电子产品的电磁兼容性和电磁干扰制定了许多强制性标准，任何电子产品如果不符合标准不得进入市场。 2 DC-DC变换分类： 1）按激励方式划分。由于电力半导体器件需要激励信号，按激励方式划分为它激式和自激式两种方式，它激式DC-DC变换中有专业的电路产生激励信号控制电力半导体器件开关；自激式变换中电力半导体器件是作为振荡器的一部分（作为振荡器的振荡管）。 2） 按调制方式划分。目前在变換中常使用脉宽调制和频率调制两种方式，脉宽调制PWM（pulse width modulation）是电力半导体器件工作频率保持不变，通过调整脉冲宽度达到调整输出电压。频率调制PFM（pulse frequent modulation）是保持开通时间不变，通过调节电力半导体器件开关工作频率达到调整输出电压。频率调制在DC-DC变换器设计中由于易产生谐波干扰、且滤波器设计困难。脉宽调制与频率调制相比具有明显的优点，目前在DC-DC变换中占据主导地位。还有混合式，即在某种条件下使用脉宽调制（PWM），在另一条件下使用频率调制（PFM）。 3）按储能电感与负载连接方式划分。可分为串联型和并联型两种。储能电感串联在输入输出之间称之为串联型；储能电感并联在输出与输入之间称之为并联型。 4）按电力半导体器件在开关过程中是否承受电压、电流应力划分。可分为硬开关和软开关。所谓软开关是指电力半导体器件在开关过程中承受零电压（ZVS）或零电流（ZIS）。 5）按输入输出电压大小划分。可分为降压型和升压型。 6）按输入与输出之间是否有电气隔离划分。可分为隔离型和不隔离型。隔离型DC-DC变换器按电力半导体器件的个数可分为：单管DC-DC变换器[单端正激（Forward）、单端反激(Flyback)]；双管DC-DC变换器[双管正激(Double transistor forward converter)、双管反激（Double transistor flyback converter）、推挽电路（Push-pull converter）和半桥电路（Half-bridge converter）等]；四管DC-DC变换器即全桥DC-DC变换器（Full-bradge converter）。不隔离型主要有降压式（Buck）变换器、升压式（Boost）变换器、升降压式（Buck-Boost）变换器、Cuk变换器、Zeta变换器、Sepic变换器等。 3、 DC-DC变换器的要求及主要技术指标 1）