【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?fù)? ? 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(gè)不受控制的輸入直流電壓變換成為另一個(gè)受控的輸出直流電壓稱之為 DCDC變換。 ? 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)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(jì)算機(jī)、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(shí)，這些應(yīng)用也促進(jìn)了 DCDC變換技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。 ? 實(shí)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(kāi)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(kāi)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(shí)， ；晶體管導(dǎo)通時(shí) ；則該晶體管為理想開(kāi)關(guān)（ Ideal switch），在理想開(kāi)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(kāi) tc圖 52a開(kāi)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(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS: Switchmode power supply)框圖圖 53線性電源和開(kāi)關(guān)電源框圖 ? 開(kāi)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(diǎn)： ? 功耗小、效率高。在 DCDC變換中，電力半導(dǎo)體器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，工作頻率很高，目前這個(gè)工作頻率已達(dá)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(shí)，由于效率提高，散熱器體積也減小。還由于 DCDC變換無(wú)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(guò)調(diào)節(jié)脈寬來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，對(duì)輸入電壓變化也可調(diào)節(jié)脈寬來(lái)進(jìn)行補(bǔ)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(kāi)關(guān)狀態(tài)，它所產(chǎn)生的電流和電壓會(huì)通過(guò)各種耦合途徑，產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。目前，許多國(guó)家包括我國(guó)對(duì)電子產(chǎn)品的電磁兼容性和電磁干擾制定了許多強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，任何電子產(chǎn)品如果不符合標(biāo)準(zhǔn)不得進(jìn)入市場(chǎng)。 ? 2 DCDC變換分類： 1）按激勵(lì)方式劃分。由于電力半導(dǎo)體器件需要激勵(lì)信號(hào)，按激勵(lì)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(lì)信號(hào)控制電力半導(dǎo)體器件開(kāi)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(guò)調(diào)整脈沖寬度達(dá)到調(diào)整輸出電壓。頻率調(diào)制 PFM（ pulse frequent modulation）是保持開(kāi)通時(shí)間不變，通過(guò)調(diào)節(jié)電力半導(dǎo)體器件開(kāi)關(guān)工作頻率達(dá)到調(diào)整輸出電壓。頻率調(diào)制在 DCDC變換器設(shè)計(jì)中由于易產(chǎn)生諧波干擾、且濾波器設(shè)計(jì)困難。脈寬調(diào)制與頻率調(diào)制相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，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(chǔ)能電感與負(fù)載連接方式劃分。可分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種。儲(chǔ)能電感串聯(lián)在輸入輸出之間稱之為串聯(lián)型；儲(chǔ)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(kāi)關(guān)過(guò)程中是否承受電壓、電流應(yīng)力劃分?？煞譃橛查_(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)。所謂軟開(kāi)關(guān)是指電力半導(dǎo)體器件在開(kāi)關(guān)過(guò)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?？煞譃楦綦x型和不隔離型。隔離型 DCDC變換器按電力半導(dǎo)體器件的個(gè)數(shù)可分為：?jiǎn)喂?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(biāo) 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(gè)內(nèi)容 : ? 負(fù)載調(diào)整率，即負(fù)載效應(yīng)。指當(dāng)負(fù)載在 0100%額定電流范圍內(nèi)變化時(shí)，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(dāng)輸入電壓在規(guī)定范圍內(nèi)變化時(shí)，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(biāo)。 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(kāi)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(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間有一段時(shí)間電感電流為零，這兩種狀態(tài)之間有一個(gè)臨界狀態(tài)，即在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷末期電感電流剛好為零。電感電流連續(xù)時(shí)， Buck變換器存在兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài)；電感電流斷續(xù)時(shí)， Buck變換器存在三種開(kāi)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(shí)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(kāi)關(guān)狀態(tài)下的等效電路圖 ? 將圖 56所示的方波信號(hào)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(hào)激勵(lì)下，周期性的開(kāi)關(guān)。通過(guò)電感中的電流 iL是否連續(xù)取決于開(kāi)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(diǎn)波形 ? 開(kāi)關(guān)狀態(tài) 1： Q導(dǎo)通 ? t=0時(shí)刻， Q管被激勵(lì)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(shí)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(guò)程的電流變化： ? 開(kāi)關(guān)狀態(tài) 2： Q關(guān)斷 ? t=ton時(shí)刻， Q關(guān)斷，儲(chǔ)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(lái)電壓極性相反的自感電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)使二極管 D正向偏置，二極管 D導(dǎo)通，儲(chǔ)能電感中儲(chǔ)存的能量通過(guò)二極管 D向負(fù)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(shí)電感上的電壓為： ? 顯然 ? 即關(guān)斷過(guò)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(shí)間內(nèi)）減少的電流，這樣電路才能達(dá)到平衡，才能保證儲(chǔ)能電感 L中一直有能量，才能不斷地向負(fù)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(guò)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(shí)際上就是輸出電壓的紋波電壓 ， 的波形如圖 56a所示。 ? 因?yàn)? ，當(dāng) 時(shí)， C充電，輸出電壓 vo升高；當(dāng) 時(shí)， C放電，輸出電壓 vo下降，假設(shè)負(fù)載電流 io的脈動(dòng)量很小而可以忽略，則 ，即電感的峰峰脈動(dòng)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(chǔ)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(fù)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(dāng)電感量小到一定值時(shí)，在 t=T時(shí)刻，電感 L中儲(chǔ)藏的能量剛剛釋放完畢，這時(shí) ，此時(shí)的電感量被稱為臨界電感，當(dāng)儲(chǔ)能電感 L的電感量小于臨界電感時(shí)，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(fù)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(shí)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(zhǎng)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(fù)載電流由輸出濾波電容供電。這三種工作狀態(tài)對(duì)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(kāi)始增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)量為 ? Q截止后，電感電流從最大值線性下降，在 時(shí)刻下降到零，其減小量為： ? 電感電流增長(zhǎng)量和電感電流減小量在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)相等： ? 電感電流連續(xù)時(shí)， ，電感電流斷續(xù)時(shí)， 。 ? 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(shí)， 不僅與占空比有關(guān)，而且與負(fù)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