第章直流变换器.docVIP

第3章 直 流 变 换 器 直流变换器，即直流-直流变换器，是将一种直流电源变换为另一种具有不同输出特性的直流电源。直流变换是为解决系统效率，特别是大功率系统的效率而提出的解决方案。它是一种将直流电能变换成负载所需的电压或电流可控的直流电能的电力电子装置。它通过对电力电子器件的快速通、断控制而把恒定直流电压斩成一系列的脉冲电压，通过控制比的变化来改变这一脉冲序列的脉冲宽度，以实现输出电压平均值的调节，再经输出滤波器滤波，在被控负载上得到电压或电流可控的直流电能。 直流变换器按照电路拓扑可以分为基本的不带隔离变压器的直流变换器和带隔离变压器的直流变换器两大类。基本的直流变换器是通过开关管，再经电容、电感等储能滤波元件将输入的直流电压变换为符合负载要求的直流电压或电流。这种变换器适用于输入输出电压等级相差不大，且不要求电气隔离的应用场合。 基本的直流变换器有多种电路接线形式，根据其电路结构及功能分类，本章将讨论以下四种基本类型Buck直流变换器；Boost直流变换器；Buck-Boost直流变换器；Boost-Buck直流变换器。其中，（1）（2）两种是直流变换器最基本的结构；（3）（4）3.1 基本直流变换器 3.1.1 Buck直流变换器 Buck变换器（又称作降压变换器）就是将直流输入电压变换成相对低的平均直流输出电压。它的特点是输出电压比输入的电压低，但输出电流比输入电流高。它主要用于直流稳压电源中，在这些应用场合，变换器的输出电压可根据输入电压和负载阻抗进行调节。 图3-1（a）给出了最简单的降压变换器的电路拓扑，假设图3-1（a）中的开关V为理想开关，即不计其损耗。从图3-1（b）可以看出，当开关管闭合时，输出电压Uo等于输入电压Ui；当开关管断开时，输出电压为0；因此，可以由开关管占空比计算输出平均电压，即 （3-1）3-1 纯电阻负载buck变换器的电路图 1. 工作原理 图3-2（a）为一可实际应用的buck变换器的电路拓扑，图3-2（b）为输出电压波形。这种降压变换器的工作原理是：当开关V导通时，Ui通过电感L向负载传递能量，此时，iL增加，电感储能增加，如图3-3（a）所示。当V断开时，由于电感电流iL不能突变，iL通过二极管VD续流，电感L上的能量逐步消耗在电阻R上，iL降低，L上储能减小，如图3-3（b）所示。由于VD的单向导电性，iL不可能为负，即总有iL≥0，从而可在负载上获得单极性的输出电压。 由于在稳态分析中假定输出端滤波电容很大，则输出电压可认为是平直的，即uo(t)≈Uo。同样，由于稳态时电容的平均电流为0，因而降压变换器中电感的平均电流等于平均输出电流Io。 由降压变换器的原理可以看出，电感可以工作在连续电流工作方式，也可以工作在不连续的工作状态。电感电流连续的状态称为连续导电模式，反之则称为不连续导电模式。 图3-2 降压变换器电路图及电压波形图 图3-3 降压变换器开关变换对应电路 当晶体管V导通时，电感中有电流流过且二极管为反向偏置，导致电感两端呈现正电压 （3-2） 在该电压作用下电感中电流线性上升，上式可写成 （3-3） 当晶体管截止时，电感中电流不能突变，感应电势反号，迫使iL经二极管导通，此时uL=-Uo呈现负电压，则有 （3-4） 电感电流线性下降，上式可写为 （3-5） 式中，为晶体管的截止时间。在稳态时，，联解式（3-3）和式（3-5）得到 （3-6） 式（3-6）和式（3-1）完全相同，这是因为电感滤波保持了直流分量，消除了谐波分量。有关点的波形如图3-4所示。 输出电流平均值 （3-7） 图3-4 降压变换器波形图 2.在恒定占空比下，变换器的输出电压与输出电流的关系称为变换器的外特性。式（3-6）表示了电感电流连续时变换器的外特性，输出电压与负载电流无关。当负载电流减少，可能出现电感电流断续。 由式（3-3）和式（3-5）可见，当输入电压和输出电压