直流-直流变换器
第5章 直流-直流变换电路
5.2.5 全桥式直流斩波电路
u UN
5.3、变压器隔离的直流-直流变换器 、变压器隔离的直流 直流变换器
输入输出间实现电隔离：在基本 变换电路中加入变压器。 输入输出间实现电隔离：在基本DC-DC变换电路中加入变压器。 变换电路中加入变压器 常见的有单端正激变换器，反激变换器，半桥及全桥式降压变换器等。 常见的有单端正激变换器，反激变换器，半桥及全桥式降压变换器等。
5.1.2 直流斩波器的分类
按变换电路的功能分类有
1）降压式直流-直流变换 降压式直流2）升压式直流-直流变换 升压式直流3）升压-降压复合型直流-直流变换 升压-降压复合型直流4）库克直流-直流变换 库克直流5）全桥式直流-直流变换 全桥式直流-
5.2、直流斩波器 、
5.2.1 降压式直流斩波电路
I 2 t on = I 1 t off
∫ i dt = 0
0 C
T
电源输出的电能EI 等于负载上得到的电能U 电源输出的电能 1等于负载上得到的电能 0I2，即 由此可以得出输出电压U 与输人电压E的关系为 的关系为： 由此可以得出输出电压 0与输人电压 的关系为：
EI1 = U 0 I 2
t on t on I1 D U0 = E = E= E= E I2 t off 1− D T − t on
∫
ton
u L dt = 0
即：（E-U0）ton=U0（T-ton） ：（
U
0
t on = E = D E T
5.2.2 升压式直流斩波电路
uL
DC-DC变换电路(1)
Io ID
Uo UoD(1 D)2TS
R
2L
L
临界条件： RTS
D(1 D)2 2
一、直接DC/DC变换器
2.升压斩波电路（boost）
2）电感电流断续工作模式(DCM)
Ui DTS (Uo Ui )TS
二极管电流开关周期平均值为
ID
1 2
I L
电容Ｃ的开关周期平均电流为零，
一、直接DC/DC变换器 4. Cuk斩波电路
设两个电感电流连续
uL1
U i ton
(Ui Uc1)Toff Ts
0
uL2
(U c1
U0 )ton Ts
U T0 off
0
U0 D Ui 1 D
D 1时，U0 无穷，避免
特点：升压、降压； 输如、输出电流脉 动小； 不能空载运行，控制较为复杂。
Uo 1 4K 1 D
Ui
2K
K
2L D2TS R
DTs Ts
断续时D与负载 和电感、开关周 期有关。
电流断续时，总是有Uo＞DUi，且负载电流 越小，Uo越高。输出空载时，Uo=Ui
一、直接DC/DC变换器
1.降压斩波电路
2）电感电流断续工作模式 (DCM)
电流断续时，总是有Uo＞DUi，且负载电流越小，Uo 越高。输出空载时，Uo=Ui
一、直接DC/DC变换器
1.降压斩波电路
2）电感电流断续工作模式(DCM )
临界点： Io IL 电容电流一周期上平均值为零
I L
1 TS
TS 0
iL (t)dt
第3章 直流变换器
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：（1）Buck 直流变换器；（2）Boost 直流变换器；（3）Buck-Boost 直流变换器；（4）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）是前两种基本结构的组合形式。
本章将详细分析上述四种变换器的基本原理和稳态工作特性，分析过程中，为便于理解把变换器中的功率器件看作理想开关，并且对电路中电感和电容的损耗忽略不计。
此外还假定变换器的直流输入电源为理想的恒压电压源。
直流变换器输出端所带负载常用一等效电阻来表示。
而在直流电机驱动中，电机负载可表示为直流电压与绕组电阻和电感的串联等效电路。
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。
直流-直流变换器
直流-直流(DC/DC)变换器DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。
斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton(通用)，二是频率调制（1）Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压U0小于输入电压Ui，极性相同。
（2）Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压U0大于输入电压Ui，极性相同。
（3）Buck－Boost电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。
（4）Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输。
还有Sepic、Zeta电路。
上述为非隔离型电路，隔离型电路有正激电路、反激电路、半桥电路、全桥电路、推挽电路。
直流-直流变换器功能模块介绍直流-直流变换器（DC-DC converter）内部一般具有PWM（脉宽调制）模块，E/A（差错放大器模块），比较器模块等几大功能模块。
直流-直流变换器工作原理其工作原理为：输出经过FB（反馈电路）接到FB pin，反馈电压VFB与设定好的比较电压Vcomp比较后，产生差错电压信号，差错电压信号输入到PWM模块，PWM根据差错电压的大小调节占空比，从而达到控制输出电压的目的，振荡器的作用是产生PWM工作频率的三角波，三角波经过斩波电压斩波后，产生方波，其方波就是控制MOSFET的导通时间从而控制输出电压的。
直流变换器调制方法开关管导通时，输出电压等于输入电压Ud；开关管断开时，输出电压等于0。
输出电压波形如上图所示，输出电压的平均值Uo为(4-1)式中Ts—开关周期D—开关占空比， 变负载端输出电压有3种调制方法：1．开关周期Ts保持不变，改变开关管导通时间ton。
也称为脉宽调制(PWM)。
2．开关管导通时间ton保持不变，改变开关周期Ts。
3. 改变开关管导通时间ton，同时也改变开关周期Ts。
方式1的PWM是最常见的调制方式，这主要是因为后2种方式改变了开关频率，而输出级滤波器是根据开关频率设计的，显然，方式1有4-2(a)是脉宽调制方式的控制原理图。
双向直流变换器建模ppt课件
① Buck 方向时， K2断开，电源V1提供负载R2能量：
VBuck V1 d
I Buck
V1 R2
d
② Boost 方向时，K1断开，电源V2提供负载R1能量：
VBoost V1 d
I Boost
V1 R1 D 2
d
③ 稳态时，电压之间的关系满足下式：V1 :V2 1: D
34
3 双向 Buck-Boost 变换器的小信号模型
1 iL
0
uc
27
2、 Boost 方向小信号模型的建立
（2）dTs ≤ t ≤ Ts（时间段记为dTs），状态空间 方程：
•
iL
0
• uc
1 C1
1 L
1 R1C1
iL uc
1 L 0
v2
v1
i2
0 1
1 iL
0
uc
28
2、 Boost 方向小信号模型的建立
L
iL
+
D1
+
V1
Q2
D2
V2
-
-
图1 双向Buck-Boost DC/DC变换器
3
1、 Buck 方向小信号模型的建立
1.1 列出状态方程
Buck 方向时电路结构如图2所示，忽略电感、
电容的寄生电路，开关管、二极管均假定为理想器
件。
i1
+
Q1
L
iL
+
V1
D2
C2 R2
V2
-
-
图2 Buck 方向在连续状态下的等效电路
基本建模法
建模方法
状态空间平均法 开关元件平均模型法 开关网络平均模型法
直流直流变换器
率。
热设计
热分析
对变换器进行热分析，确 定关键发热元件和最高温 度点，为散热设计提供依 据。
散热设计
根据热分析结果，选择适 当的散热方式，如自然散 热、强制风冷或液冷等。
热管设计
利用热管的高效传热特性， 将热量从发热元件传导至 散热器，提高散热效果。
直流-直流变换器
目录
• 引言 • 直流-直流变换器的分类 • 直流-直流变换器的应用 • 直流-直流变换器的设计与优化 • 直流-直流变换器的挑战与解决方
案 • 未来展望
01
引言
定义与作用
定义
直流-直流变换器是一种将直流电 能转换为另一种直流电能的装置 。
作用
在电力电子、通信、仪器仪表、 工业自动化等领域，直流-直流变 换器广泛应用于电压调节、电流 控制和电源管理等方面。
电磁兼容性（EMC）设计
滤波设计
在变换器输入和输出端加入滤波电路，抑制电磁 干扰的传播。
屏蔽设计
对关键电路和元件进行屏蔽，以减小电磁干扰的 影响。
接地设计
合理设计接地网络，降低地线回路的干扰电压， 提高系统的电磁兼容性。
05
直流-直流变换器的挑战 与解决方案
效率与体积的权衡
挑战
在设计和制造直流-直流变换器时， 需要权衡效率和体积。通常情况下， 更高的效率需要更大的体积和更复杂 的电路设计。
THANKS
感谢观看
多路输出直流-直流变换器的发展
随着多路输出电源需求的增加， 多路输出直流-直流变换器的发
展成为未来的重要方向。
多路输出直流-直流变换器能够 同时提供多路稳定、可调的直流 电压，满足各种不同设备的电源
直流直流变换器设计背景与意义
直流直流变换器设计背景与意义
直流直流变换器（DC-DC Converter）是一种将一种直流电压转换为另一种直流电压的电子器件。
它的设计背景与意义如下：
1. 电力供应：由于电网中常用的是交流电，但很多电子设备需要使用直流电供电，如计算机、手机等。
因此，需要将电网中的交流电转换为需要的直流电，这时就需要使用直流直流变换器进行转换。
2. 电能转换：在一些电力系统中，需要将电能从一个直流电源传输到另一个直流负载，如电动车、电动机等。
直流直流变换器能够实现这种电能的高效转换，提高能量转移的效率。
3. 电压匹配：不同的电子设备或电子组件需要不同的电压供电，直流直流变换器能够将一个直流电源的电压转换为所需的电压，满足不同设备的需求。
4. 节能降耗：直流直流变换器能够提高能量的传输效率，减少能量转换过程中的能量损耗。
在一些需要长时间工作的设备中，使用直流直流变换器可以显著降低耗能，延长设备的使用寿命。
5. 转换器拓扑：直流直流变换器的设计主要涉及转换器的拓扑结构选择、功率集成电路的选用、控制算法的设计等方面。
这些设计是电力电子领域的重要研究内容，对提高电力转换效率、减少成本、改善系统可靠性具有重要意义。
总之，直流直流变换器的设计背景与意义在于实现不同电压间的转换，满足电子设备、电力系统中的电能转换与供电要求，提高能量转换效率、降低能量损耗，并推动电力电子领域的研究和应用。
DCDC变换器原理
C-D C变换器原DC/DCConverterPrinciple池输出的是直流电，是不是可直接作为直流电源使用呢，对于对电压没有准确要求的微、小型用电设备是可以的，如计算器、玩具等。
太阳电池输出电压伏器件的连接方式与数量，并与负载大小与光照强度直接有关，不能直接作为正规电源使用。
通过DC-DC变换器可以把太阳电池输出的直流电转换成稳电压的直流电输出。
DC-DC变换器就是直流——直流变换器，是太阳能光伏发电系统的重要组成部分，下面就其原理作简单介绍。
-DC变换基本原理换电路主要工作方式是脉宽调制(PWM)工作方式，基本原理是通过开关管把直流电斩成方波（脉冲波），通过调节方波的占空比（脉冲宽度与脉冲周期之比电压。
压斩波电路波电路简单，是使用广泛的直流变换电路。
图1左上部是一个斩波基本电路，Ud是输入的直流电压，V是开关管，UR是负载R上的电压，开关管V把d斩成方波输出到R上，图1右上部绿线为斩波后的输出波形，方波的周期为T，在V导通时输出电压等于Ud，导通时间为ton，在V关断时输出电压等关断时间为toff，占空比D=ton/T，方波电压的平均值与占空比成正比。
图1下部绿线为连续输出波形，其平均电压如红线所示。
改变脉冲宽度即可改变输，在时间t1前脉冲较宽、间隔窄，平均电压（UR1）较高；在时间t1后脉冲变窄，平均电压（UR2）降低。
固定方波周期T不变，改变占空比调节输出PWM)法，也称为定频调宽法。
由于输出电压比输入电压低，称之为降压斩波电路或Buck变换器。
图1?DC-DC变换基本原理冲不能算直流电源，实际使用要加上滤波电路，图2是加有LC滤波的电路，L是滤波电感、C2是滤波电容、D是续流二极管。
当V导通时，L与C2蓄能R输电；当V关断时，C2向负载R输电，L通过D向负载R输电。
输出方波选用的频率较高，一般是数千赫兹至几十千赫兹，故电感体积很小，输出波大。
图2?降压型DC-DC变换电路输出电压UR=DUd，D是占空比，值为0至1。
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UiTs 2Lf
D (1 D)
iLf
0
IG
U0 2Lf fs
(1 D)
?
T on Ts
IL fm ax
Io
t T off
ILfmin = 0
电感电流临界连续
IG
UiTs 2Lf
D (1 D)
D0.5
I G max
U iTs 8Lf
IG 4D(1 D) IG max
1 .0
0 .8
IG 0 .6 IG m ax
u be
0
uAB
Ui
0
ILf
Ui
Uo Lf
DTs
u Lf
0
Ui- Uo
-U o
滤波电感电流的最大值和最小值为
ILfm axI0ILf /2
iLf
0
ILfminI0ILf /2
Io
T on Ts
IL fm ax T off
t
t t
I L fm in t
Q：当Ui和Uo一定时，如果负载 电流变化，电感电流脉动是
电力电子技术
/直流变换器
第一章 直流/直流变换器
1.1 直流/直流降压变换器(Buck变换器) 1.2 直流/直流升压变换器(Boost变换器) 1.3 直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器) 1.4 直流升压-降压变换器(Cuk变换器) 1.5 带隔离变压器的直流/直流变换器 #1.6 开关直流电源的控制
0 .4
0 .2
0 .0
D
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
相同的Ui(恒定)，不同的U0。
电感电流断续
输出平均电流：
iLf
ILfmax
Io
1 1
Io
Ts
2ILf
max
Ton To'ff
占空比
t
Ui
t
Ui- Uo
t
-U
IL fm ax
Io
T on
T off
Ts
I L fm in t
脉冲宽度调制
(Pulse-Width Modulation)
脉冲频率调制
Pulse-Frequency Modulation
输出电流平均值
Io
1 2
ILf min ILf max
滤波电感电流脉动值
电压 参考
基（门） 极驱动
PWM 控制器
误差 放大器
1.1 Buck变换器
Buck变换器的推导 工作原理 外特性 元器件选择和设计
工作原理：电感电流连续
Q ON
A
Lf
iLf
u be
0
RLd
t
Q Ui
+ ULf _
D Cf
uAB
+
Uo 0
_
u Lf
0
Ui Ui- Uo
t t
-U o
B
ULf
Ui Uo
Ts 0
uo
dt
1 Ts
U i Ton
t
U
i
Ton Ts
Ui D
50V
t
Ton D Ts
Ton：导通时间 Ts： 开关周期 D： 占空比
直流变换器：开关模式
设计要求：
Ui = 100V Uo = 50V Io = 10A
Q on: PQ(on) = Vces Io 0
Q off: PQ(off) = Vin Iceo 0 RLd
1.1 Buck变换器
Buck变换器的推导 工作原理 外特性 元器件选择和设计
直流变换器
设计要求：
Ui = 100V
Uo = 50V
Ui
Io = 10A
DC-DC变换器
RLd +
Uo _
直流变换器：电阻分压
设计要求：
Ui = 100V Uo = 50V Io = 10A
UR = 100-50 =50(V) Ui Ploss =5010 =500(W)
Toff
IL fm ax
iLf
Io
I L fm in
0
t
T on
T off
Ts
输入电压与输出电压之间的关系
u be
0
ILf ()
Ui Uo Lf
Ton
uAB
ILf ()
Uo Lf
Toff
0
u Lf
0
ILf() ILf()
iLf
Ui Uo Lf
Ton
Uo Lf
Toff
0
Uo Ton T o n D Ui Ton Toff T s
_ +
Vref
RLd +
Uo _
PQ = UQ IQ = 5010 =500(W)
= UoIo/UiIo = Uo/Ui
= 50/100 = 50%
设计要求：
Ui = 100V Uo = 50V Io = 10A
ube
100V uo
0
Ton
Ts
Q Ui
直流变换器：开关模式
RLd + Uo _
1
U o Ts
+
Q Ui
Ploss 0
Uo _
ube
100V uo
0
Ton
Ts
t
100%
t
Uo DUi
☺ 效率很高！
☺可以自动稳压 !
Buck变换器
Lf
RLd
Q
Ui
D
+
Uo
Cf
_
续流二极管
滤波器
降压式变换器
电源输入 单相或三相
EMI 滤波
不控直流 整流 输入 滤波
DC-DC变换与隔离
高频整流 滤波
受控直流 输出 Vo
无法自动稳压 ! 效率太低!!!
= UoIo/UiIo = Uo/Ui
= 50/100 = 50%
RLd +
Uo _
直流变换器：线性模式
设计要求：
Ui = 100V Uo = 50V Io = 10A
UQ = 100-50 =50(V)
Ui
☺无 可法以自动稳压 ! 效率太低!!!
线性放大器 和基极驱动
I L fm in t
1.1 Buck变换器
Buck变换器的推导 工作原理 外特性 元器件选择和设计
电感电流临界连续
电感电流连续临界电流值，
即负载最小电流：
u be
0
t
1
IG Iomin 2ILf max
uAB
Ui
0
t
ILfmax ILf UiLfUoDTs
u Lf
0
Ui- Uo
- Uo
t
IG
Lf
d iLf dt
IL fm ax
iLf
Io
I L fm in
ILf ()
Ui Uo Lf
Ton
0
t
T on
T off
Ts
Q OFF
u be
A
Lf
iLf
RLd
0
t
+ ULf _
uAB
+
Ui
Q D
Ui
Uo 0
Cf
_
u Lf
0
Ui- Uo
t t
-U o
B
ULf
Uo
Lf
d iLf dt
ILf ()
Uo Lf
1.1 直流/直流降压变换器(Buck变换器) 1.2 直流/直流升压变换器(Boost变换器) 1.3 直流升压-降压变换器(Buck-Boost变换器) 1.4 直流升压-降压变换器(Cuk变换器) 1.5 带隔离变压器的直流/直流变换器 #1.6 开关直流电源的控制
1.1 Buck变换器
Buck变换器的推导 工作原理 外特性 元器件选择和设计
否变化？
A：不变！
工作原理：电感电流断续
Q Ui
Q Ui
Q Ui
Lf
RLd
+
D
Uo
u be
Cf
_
0
Lf
iLf
RLd
uAB
+ ULf _
+
0
D
Uo
u Lf
Cf
_
0
A
Lf
iLf
+ ULf _
D Cf
B
RLd
iLf
+ 0
Uo _
Ui Ui- Uo
Io T on
Ts
-U o
IL fm ax T off
t
t t