【正文】 第 5章 DCDC變換技術(shù) ? 167。 概述 ? 167。 DCDC變換器的基本電路拓撲 ? 167。 帶變壓器隔離的 DCDC變換器原理167。 PWM控制器原理 返回 167。 概述 ? 將一個不受控制的輸入直流電壓變換成為另一個受控的輸出直流電壓稱之為 DCDC變換。 ? 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，對電子設(shè)備的要求是：①性能更加可靠；②功能不斷增加；③使用更加方便；④體積日益減小。這些使 DCDC變換技術(shù)變得更加重要。目前， DCDC變換器在計算機、航空、航天、水下行器、通信及電視等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，同時，這些應(yīng)用也促進了 DCDC變換技術(shù)的進一步發(fā)展。 ? 實現(xiàn) DCDC變換有兩種模式，一種是線性調(diào)節(jié)模式 (Linear Regulator)，另一種是開關(guān)調(diào)節(jié)模式（ Switching Regulator）。 兩種調(diào)節(jié)模式及比較 ? 線性調(diào)節(jié)器模式如圖 51a所示，在這種模式中晶體管工作在線性工作區(qū)，其輸出電壓為 。晶體管模型可以用可調(diào)電阻 RT等效，其等效電路如圖 51b所示。顯然晶體管功率損耗為 。 ? 開關(guān)調(diào)節(jié)模式如圖 52a所示，其等效電路和輸出電壓如圖 52b、 52c所示。 ? 假設(shè)：晶體管關(guān)斷時， ；晶體管導(dǎo)通時 ；則該晶體管為理想開關(guān)（ Ideal switch），在理想開關(guān)情況下，晶體管損耗為零。兩種模式的電源方塊圖如圖 53a和圖 53b所示。 LRLIsV CEv?? LRLIsV CEv??oV oV??? ?a b圖 51 a 線性調(diào)節(jié)器模式 b 等效電路 LRLIsV CEv?? LRLIsVoV oV??? ?a b sV oVon閉 合off斷 開 tc圖 52a開關(guān)調(diào)節(jié)模式圖 52b等效電路圖 52c輸出電壓 a 線性模式電源框圖 b 開關(guān)模式電源 (SMPS: Switchmode power supply)框圖圖 53線性電源和開關(guān)電源框圖 ? 開關(guān)調(diào)節(jié)模式與線性調(diào)節(jié)模式相比具有明顯的特點： ? 功耗小、效率高。在 DCDC變換中，電力半導(dǎo)體器件工作在開關(guān)狀態(tài)，工作頻率很高，目前這個工作頻率已達到數(shù)百甚至 1000KHz，這使電力半導(dǎo)體器件功耗減少、效率大幅度提高。 ? 體積小、重量輕。由于頻率提高，使脈沖變壓器、濾波電感、電容的體積、重量大大減小，同時，由于效率提高，散熱器體積也減小。還由于 DCDC變換無笨重的工頻變壓器，所以 DCDC變換體積小、重量輕。 ? 穩(wěn)壓范圍寬。目前 DCDC變換中基本使用脈寬調(diào)制（ PWM）技術(shù)，通過調(diào)節(jié)脈寬來調(diào)節(jié)輸出電壓，對輸入電壓變化也可調(diào)節(jié)脈寬來進行補償，所以穩(wěn)壓范圍寬。 ? 由于電力半導(dǎo)體器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，它所產(chǎn)生的電流和電壓會通過各種耦合途徑，產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。目前，許多國家包括我國對電子產(chǎn)品的電磁兼容性和電磁干擾制定了許多強制性標準，任何電子產(chǎn)品如果不符合標準不得進入市場。 ? 2 DCDC變換分類： 1）按激勵方式劃分。由于電力半導(dǎo)體器件需要激勵信號，按激勵方式劃分為它激式和自激式兩種方式，它激式 DCDC變換中有專業(yè)的電路產(chǎn)生激勵信號控制電力半導(dǎo)體器件開關(guān)；自激式變換中電力半導(dǎo)體器件是作為振蕩器的一部分（作為振蕩器的振蕩管）。 2） 按調(diào)制方式劃分。目前在變換中常使用脈寬調(diào)制和頻率調(diào)制兩種方式，脈寬調(diào)制 PWM（ pulse width modulation）是電力半導(dǎo)體器件工作頻率保持不變，通過調(diào)整脈沖寬度達到調(diào)整輸出電壓。頻率調(diào)制 PFM（ pulse frequent modulation）是保持開通時間不變，通過調(diào)節(jié)電力半導(dǎo)體器件開關(guān)工作頻率達到調(diào)整輸出電壓。頻率調(diào)制在 DCDC變換器設(shè)計中由于易產(chǎn)生諧波干擾、且濾波器設(shè)計困難。脈寬調(diào)制與頻率調(diào)制相比具有明顯的優(yōu)點，目前在 DCDC變換中占據(jù)主導(dǎo)地位。還有混合式，即在某種條件下使用脈寬調(diào)制（ PWM），在另一條件下使用頻率調(diào)制（ PFM）。 3）按儲能電感與負載連接方式劃分?？煞譃榇?lián)型和并聯(lián)型兩種。儲能電感串聯(lián)在輸入輸出之間稱之為串聯(lián)型；儲能電感并聯(lián)在輸出與輸入之間稱之為并聯(lián)型。 4）按電力半導(dǎo)體器件在開關(guān)過程中是否承受電壓、電流應(yīng)力劃分?？煞譃橛查_關(guān)和軟開關(guān)。所謂軟開關(guān)是指電力半導(dǎo)體器件在開關(guān)過程中承受零電壓（ ZVS）或零電流（ ZIS）。 5）按輸入輸出電壓大小劃分?？煞譃榻祲盒秃蜕龎盒?。 6）按輸入與輸出之間是否有電氣隔離劃分。可分為隔離型和不隔離型。隔離型 DCDC變換器按電力半導(dǎo)體器件的個數(shù)可分為：單管 DCDC變換器 [單端正激（ Forward）、單端反激 (Flyback)]；雙管 DCDC變換器 [雙管正激 (Double transistor forward converter)、雙管反激（ Double transistor flyback converter）、推挽電路（ Pushpull converter）和半橋電路（ Halfbridge converter）等 ]；四管 DCDC變換器即全橋 DCDC變換器（ Fullbradge converter）。不隔離型主要有降壓式（ Buck）變換器、升壓式（ Boost）變換器、升降壓式（ BuckBoost）變換器、 Cuk變換器、 Zeta變換器、 Sepic變換器等。 DCDC變換器的要求及主要技術(shù)指標 1）輸入?yún)?shù)：輸入電壓及輸入電壓變化范圍；輸入電流及輸入電流變化范圍； 2）輸出參數(shù)：輸出電壓及輸出電壓變化范圍；輸出電流及輸出電流變化范圍；輸出電壓穩(wěn)壓精度。 ? 輸出電壓穩(wěn)壓精度，包括兩個內(nèi)容 : ? 負載調(diào)整率，即負載效應(yīng)。指當負載在 0100%額定電流范圍內(nèi)變化時，輸出電壓的變化量與輸出電壓額定值的比值。 ? 源效應(yīng)是指當輸入電壓在規(guī)定范圍內(nèi)變化時，輸出電壓的變化量與輸出電壓額定值的比值。 ? 效率 ? 輸出電壓紋波有效值和峰 峰值 ? 比功率（功率 /重量） ,是表征小型化的重要指標。 返回 167。 DCDC變換器的基本電路 1 、 Buck電路 ? Buck電路又稱為串聯(lián)開關(guān)穩(wěn)壓電路，或降壓斬波電路。 Buck變換器原理圖如圖 55a所示。它有兩種基本工作模式，即電感電流連續(xù)模式 CCM和電感電流斷續(xù)模式。電感電流連續(xù)是指輸出濾波電感電流總是大于零，電感電流斷續(xù)是指在開關(guān)管關(guān)斷期間有一段時間電感電流為零，這兩種狀態(tài)之間有一個臨界狀態(tài)，即在開關(guān)管關(guān)斷末期電感電流剛好為零。電感電流連續(xù)時， Buck變換器存在兩種開關(guān)狀態(tài)；電感電流斷續(xù)時， Buck變換器存在三種開關(guān)狀態(tài)；如圖 55b、 c、 d所示。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 5 A u g 20 00 S h e e t o f F i l e : D : \ l i c i r c u i t \ l i ho n g. d db D r a w n B y :QDLC ZVd ucaQDLC ZVd uccQDLC ZVd ucbQDLC ZVd ucdiCioioioioQ 導(dǎo)通Q 關(guān)斷 Q 關(guān)斷時電感電流為零B u c k 電路圖LiLiLi圖 55 Buck變換器原理圖及不同開關(guān)狀態(tài)下的等效電路圖 ? 將圖 56所示的方波信號加到功率半導(dǎo)體器件的控制極，功率半導(dǎo)體器件在控制信號激勵下，周期性的開關(guān)。通過電感中的電流 iL是否連續(xù)取決于開關(guān)頻率、濾波電感和電容的數(shù)值。電感電流 iL連續(xù)條件下其工作波形如圖 56a所示。電路穩(wěn)定狀態(tài)下的工作分析如下： ? 1）電感電流連續(xù)模式 CCM（ Continuous current mode） VGEiLIL m axIL m i nIOVGEiLIL m axIL m i nIL m i nIL m axiQiDiCvOVOttttttttttttIL m axIL m axIL m axiCvOa 電感電流連續(xù) b 電感電流斷續(xù)000000 000000IOΔ QΔ QVOtontof fT tonTt ’of f圖 56 Buck電路圖各點波形 ? 開關(guān)狀態(tài) 1： Q導(dǎo)通 ? t=0時刻， Q管被激勵導(dǎo)通，二極管 D中的電流迅速轉(zhuǎn)換到 Q管。二極管 D被截止，等效電路如圖 55b所示，這時電感上的電壓為： ? 若 VO在這期間保持不變，則有： ? 顯然 ? 即導(dǎo)通過程的電流變化： ? 開關(guān)狀態(tài) 2： Q關(guān)斷 ? t=ton時刻， Q關(guān)斷，儲能電感中的電流不能突變，于是電感 L兩端產(chǎn)生了與原來電壓極性相反的自感電動勢，該電動勢使二極管 D正向偏置，二極管 D導(dǎo)通，儲能電感中儲存的能量通過二極管 D向負載供電，二極管 D的作用是續(xù)流，這就是二極管 D被稱為續(xù)流二極管的原因。等效電路如圖 55c所示，這時電感上的電壓為： ? 顯然 ? 即關(guān)斷過程的電流變化： ? 顯然，只有 Q管導(dǎo)通期間（ ton內(nèi)）電感 L增加的電流等于 Q管截止期間（ toff時間內(nèi)）減少的電流，這樣電路才能達到平衡，才能保證儲能電感 L中一直有能量，才能不斷地向負載提供能量和功率。 ? 考慮到 和 ，可得 ? 因此， Buck電路輸出電壓平均值與占空比δ 成正比， δ 從 0變到 1，輸出電壓從 0變到 ,且輸出電壓最大值不超過輸入電壓 。 ? 由于濾波電容上的電壓等于輸出電壓，電容兩端的電壓變化量實際上就是輸出電壓的紋波電壓 ， 的波形如圖 56a所示。 ? 因為 ，當 時， C充電，輸出電壓 vo升高；當 時， C放電，輸出電壓 vo下降，假設(shè)負載電流 io的脈動量很小而可以忽略，則 ，即電感的峰峰脈動電流 即為電容 C充放電電流。 ? 電容充電電荷量即電流曲線與橫軸所圍的面積 由式可知，降低紋波電壓，除與輸入輸出電壓有關(guān)外，增大儲能電感 L和濾波電容 C可以起到顯著效果，提高電力半導(dǎo)體器件的工作頻率也能收到同樣的效果。在已知 、 Vd、 Vo和 f的情況下根據(jù)上述公式可以確定 C和 L的值。 設(shè)負載阻抗 ，則電感平均電流為： ? 電感電流的最大值： ? ? 電感電流的最小值： ? 電感電流不能突變，只能近似的線性上升和下降，電感量越大電流的變化越平滑；電感量越小電流的變化越陡峭。當電感量小到一定值時，在 t=T時刻，電感 L中儲藏的能量剛剛釋放完畢，這時 ，此時的電感量被稱為臨界電感，當儲能電感 L的電感量小于臨界電感時，電感中電流就發(fā)生斷續(xù)現(xiàn)象。 ? LC即為臨界電感值，式中 RL為負載電阻。 ? 2）電感電流斷續(xù)工作方式（ Discontinuous current mode） ? 圖 56b給出了電感電流斷續(xù)時的工作波形，它有三種工作狀態(tài)：① Q導(dǎo)通，電感電流 iL從零增長到 ；② Q關(guān)斷，二極管 D續(xù)流， iL從 降到零；③ Q和 D均截止，在此期間 iL保持為零，負載電流由輸出濾波電容供電。這三種工作狀態(tài)對應(yīng)三種不同的電路結(jié)構(gòu)，如圖 52b、 c、 d所示。 ? Q導(dǎo)通期間，電感電流從零開始增長，其增長量為 ? Q截止后，電感電流從最大值線性下降，在 時刻下降到零，其減小量為： ? 電感電流增長量和電感電流減小量在穩(wěn)態(tài)時應(yīng)相等： ? 電感電流連續(xù)時， ，電感電流斷續(xù)時， 。 ? 變換器輸出電流等于電感電流平均值： ? 上式表明，電感電流斷續(xù)時， 不僅與占空比有關(guān)，而且與負載電流有關(guān)。 Buck電路 MATLAB仿真 C o n t i n u o u sp o w e r g u iv+V o l t a g e M e a s u r e m e n t 1v+V o l t a g e M e a s u r e m e n tS e r i e s R L C B