DCDC变换电路
DCDC电路转换原理(含计算方式)
Io
Io
（3-14）
其值小于等于负载电流Io，由上式得: EI1=U0I0
（3-15）
即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。
第三章 第 20 页
3.1.1 降压斩波电路
m EM / E
t1
/
t1 T
T
负载电流断续的情况： I10=0，且t=tx时，i2=0，利用式（3-7）和式（3-6）
PUSH-PULL
第三章 第 9 页
HALF-BRIDGE
第三章 第 10 页
FULL-BRIDGE
第三章 第 11 页
METHODS OF CONTROL
第三章 第 12 页
直流斩波电路
直流斩波电路（DC Chopper）
将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电； 也称为直接直流--直流变换器（DC/DC Converter）； 一般直流斩波是指直接将直流电变为另一直流电，不包括直
流—交流—直流。 广泛应用于直流牵引的变速拖动（使用直流电源时）。
直流斩波电路的种类：
三种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩 波电路；
复合斩波电路——不同基本斩波电路组合； 多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路的组合，可以工
作在两个或四个象限。
第三章 第 13 页
当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：
I10
I20
I10
a） 电路图 b） 电流连续时 O ton
toff
t
c） 电流断续时
T b)
O
t
io
dcdc正负转换电路
5、R4为电压调整电位器，选择2个电阻接上也可。
6、D3为续流二极管，小于1A时用1N5819即可，1N5822为3A
电流使用。
7、D4为了保护C3上电时不输出反极性ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ压，所以D4用1N4007
即可，为了保护后面电路不反向供电。
8、L1选择工字型功率电感。
直流电压转换器电路
如图为直流电压转换器电路原理。电路由时基集成电路IC（IC555）
的电压低于＋3V时，3脚又输出高电平。电路周而复始不断重复上述的导
通、关断过程，使输出电压值稳定于12V。R1、R2、C1、VD1组成启动电
路，使电路在刚接通时向VT3提供基极电流，促使开关管VT1、ⅤT2导
通，并向IC提供工作电压，当负载短路时，IC555将失去工作电压，而使
VT3、VT1、VT2关断，以保护整体转换电路。
dcdc正负转换电路
36V以上时，关闭LM2576，保护电源IC，防止开关管被击穿3、R3为
上拉电阻，ON/OFF弓脚输入低电平工作。
4、D2，U2，R2为输入电压监控电路，当输入电压到达4.5V时，才
使LM2576。
工作，若不加改部分电路，则一上电，LM2576的开关管就导通，电
路中会有大电流，可能会损坏LM2576，R2可以根据输入电压大小调整一
及外围元件组成一个脉冲振荡器。IC的5脚接稳压二极管VD3，以获得
5．6Ⅴ的基准电压，2脚从电阻R7、R8组成的取样电路中获得取样电压。当
2脚电压小于3V时，3脚输出高电平，使三极管VT1、VT2、VT3相继导
通，向负载供电。与此同时，电源经R6向C2充电，当6、7脚电位达到9
V时，3脚输出低电平，7脚经电容C2对地放电，开关管VT1关断。当2脚
DCDC电路
2S V VEO(ωt) = D S +∑ V sin nD )⋅ cos(nωt) (3-5) ( π n= n 1 π
3.控制方式 3.控制方式 改变开关管T的导通时间，即改变导通占空比 改变开关管 的导通时间，即改变导通占空比D ， 的导通时间 即可改变变压比M, 调节或控制输出电压V 即可改变变压比 调节或控制输出电压 O。
VS I S = VO I O
2. 降压原理 对开关管T加驱动信号 开关周期为T 对开关管 加驱动信号VG ,开关周期为 S 加驱动信号 开关周期为
Ton θ VO = VS = VS = DVS 2π Toff
VG>0, T管导通 管导通
υ EO = VS
iD = 0 i L = iS
Ton = DTS
和二极管D从导通变为阻断 （1）开关管 和二极管 从导通变为阻断，或从阻断变为导通的 ）开关管T和二极管 从导通变为阻断， 过渡过程时间均为零； 过渡过程时间均为零； （2）开关器件的通态电阻为零，电压降为零。断态电阻为无限 ）开关器件的通态电阻为零，电压降为零。 漏电流为零； 大，漏电流为零； （3）电路中的电感和电容均为无损耗的理想储能元件； ）电路中的电感和电容均为无损耗的理想储能元件； （4）线路阻抗为零。电源输出到变换器的功率等于变换器的输 ）线路阻抗为零。 出功率。 出功率。
直流/ 直流/直流变换器
直流/ 3 直流/直流变换器
3.1 直流/直流降压变换器（Buck DC/DC 变换器） 直流/直流降压变换器（ 变换器） 直流/直流升压变换器（ 变换器） 3.2 直流/直流升压变换器（Boost DC/DC 变换器） 直流升压－降压变换器（Boost-Buck变换器或Cuk变换器 变换器或Cuk变换器） 3.3 直流升压－降压变换器（Boost-Buck变换器或Cuk变换器） 两象限、四象限直流/ *3.4 两象限、四象限直流/直流变换器 多相、多重直流/ *3.5 多相、多重直流/直流变换器 带隔离变压器的直流/ 3.6 带隔离变压器的直流/直流变换器 小结
第十三讲：非隔离DCDC变换电路
Io
I L min t
iVD
o
t
iC o
uL o U in U o t
t t
Uo
uo
o Uo t0 t1 t2 t 图4.3 降压（Buck）型电路电流连续时 的主要电压、电流波形
11
1、 降压（Buck）型电路 ——电流连续模式工作原理分析
（4）电感电流的平均值、最大值、
S o iL o iS o
iL Io o iS
o iD o iC
I L max t t
t t
U in U o U DT o D 'T L L
uL o uo o
U in U o t
Uo Uo t0 t1
t 2 t3
D Uo U in ' DD
19
t
图4.6 降压（Buck）型电路电流断续时 的主要电压、电流波形
U o U c
Q 1 iL T iL 2 2 2 8f
Io
I L min t
Q i L U c 8Cf C U o (1 D) 8 LCf U o (1 D) U o 8LCf
13
iVD
o
t
增加开关频 率、加大滤 波电感和滤 波电容都可 以减小输出 脉动电压。
Io
I L min t
t
is 0
iC o
uL o U in U o t
t t
③续流二极管电流： iVD iL ④分析滤波电容的电压与电 流波形：
8
Uo
uo
o Uo t0 t1 t2 t 图4.3 降压（Buck）型电路电流连续时 的主要电压、电流波形
1、 降压（Buck）型电路 ——电流连续模式
dcdc电路
dcdc电路1. 什么是DC-DC电路？DC-DC电路（直流到直流电路）是一种将直流电源的电压进行转换的电子电路。
它可以将一个直流电压转换为另一个更高或更低的直流电压，同时也能够进行电压的稳定化和过载保护。
相比于传统的变压器-整流器-滤波器的方式，DC-DC电路更加高效，并且体积更小。
在很多电子设备中常常会使用到DC-DC电路。
2. DC-DC电路的原理DC-DC电路的核心原理是利用电感和电容器来储存和释放电能，从而改变直流电压的大小。
•降压DC-DC电路：也称为BUCK电路，采用开关器件（如MOSFET）控制输入电压通过功率电感的间断，间接地改变输出电压大小。
•升压DC-DC电路：也称为BOOST电路，利用电容器储存输入电流，然后通过开关器件的控制，将储存的电能释放为更高的输出电压。
3. DC-DC电路的工作模式DC-DC电路可以分为脉宽调制（PWM）模式和脉冲频率调制（PFM）模式两种工作模式。
•PWM模式（脉宽调制）：控制器根据输入电压和输出电压之间的差异，调整开关器件的导通时间和断开时间，以维持输出电压的稳定。
•PFM模式（脉冲频率调制）：控制器根据输出电压的大小调整开关器件的工作频率，以实现更高的效率和更低的功耗。
4. DC-DC电路的应用DC-DC电路在很多领域都有广泛的应用。
•电子设备：手机、平板电脑、电视机等消费电子产品中的电源管理模块常常会使用DC-DC电路。
•电力系统：电池组、太阳能电池等需要将直流电压转换为其他电压的系统中也需要使用DC-DC电路。
•汽车电子：汽车中的电子设备和控制系统需要通过DC-DC电路来提供稳定的电源。
5. DC-DC电路的优势相比于线性稳压器，DC-DC电路有以下优点：•更高的效率：DC-DC电路利用开关器件进行电能转换，效率可以高达90%以上，远高于线性稳压器的效率。
•更小的体积：DC-DC电路由于采用开关器件，可以采用更小尺寸的元件，从而实现更小体积的设计。
《DCDC变换器》课件
提高电源系统的稳定性和 可靠性
降低电源系统的成本和维 护费用
提高电源系统的效率和性 能
提高电源系统的灵活性和 适应性
卫星电源系统：为 卫星提供稳定的电 源
航天器电源系统： 为航天器提供稳定 的电源
航空电子设备：为 航空电子设备提供 稳定的电源
导弹武器系统：为 导弹武器系统提供 稳定的电源
用于控制系统的电源供应 电机驱动和控制 传感器信号处理 工厂自动化设备的能源管理
数字化控制技术在DCDC变 换器中的应用
数字化控制技术的发展趋 势和挑战
软开关技术的概念：通过控制开关的导通和关断时间，实现开关的软切换，降低开关损耗。 软开关技术的分类：包括零电压开关（ZVS）、零电流开关（ZCS）和零电压零电流开关 （ZVZCS）。
软开关技术的应用：在DCDC变换器中，软开关技术可以提高变换器的效率和稳定性。
DCDC变换器广泛应用于各种 电子设备和电源系统中
它具有效率高、体积小、重 量轻等优点
实现直流电压的转换
为负载提供稳定的直流电压
添加标题
添加标题
用于分布式电源系统
添加标题
添加标题
提高电源利用效率和可靠性
按工作原理分类： 升压型、降压型 和升降压型
按输入输出电压 关系分类：隔离 式和非隔离式
按控制方式分类： 脉宽调制（PWM） 和脉冲频率调制 （PFM）
DCDC变换器的技 术发展
提高转换 效率：采 用新型拓 扑结构、 控制策略 等
降低损耗： 优化电路 设计、材 料选择等
提高稳定 性：采用 先进的控 制算法、 保护措施 等
提高可靠 性：采用 冗余设计、 故障诊断 等
提高集成 度：采用 模块化设 计、集成 电路等
DCDC电路原理
dcdc电路：
DC-DC是英语直流变直流
精心整理
升压变换器：将低电压变换为高电压的电路。
降压升压等功能同时存在。
精心整理
DC-DC变换器的基本电路
励
磁，电感增加的磁通为：
精心整理
（Vi-Vo）*Ton。
空比D<1，所以Vi>Vo，实
精心整理
现降压功能。
升压变换器原理图如图2所
精心整理
示，当开关闭合时，输入电压加在电感上，此时电感由
当开关闭合与开关断开的状
精心整理
态达到平衡时，（Vi）*Ton=（Vo- Vi）*Toff，由于占空
图
2 升压变换器原理图
精心整理
升降压变换器、入出极性相反原理如图3, 当开关闭合
的磁通，（Vi）*Ton=（Vo）
精心整理
*Toff，根据Ton比Toff值不同，可能Vi< Vo，也可能
精心整理。
DCDC变换的电路计算
DCDC变换的电路计算DC-DC变换是一种电路转换技术，通过改变输入直流电压的值，可以得到所需的输出直流电压。
这种技术在电子设备中被广泛使用，特别是在便携式电子设备、电动汽车和太阳能发电系统等领域。
一、基本原理DC-DC变换电路一般由输入滤波电路、开关电路、控制电路和输出滤波电路等组成。
输入滤波电路是为了去除输入直流电压中的高频噪声，保证输入电源的稳定性。
它通常由电感、电容和电阻等元件组成。
开关电路是DC-DC变换电路的核心部分，它通过一个开关管来控制输入电压的开关，进而改变输出电压的值。
开关电路分为直流开关和交流开关两种。
直流开关常用的有开关二极管、场效应管和双极性晶体管等。
交流开关常用的有双极型晶体管和绝缘栅双极型晶体管等。
控制电路用来控制开关电路的开关时间，一般采用反馈控制的方式。
常用的控制方法有脉宽调制（PWM）控制、频率调制（FM）控制和电压调制（VM）控制等。
输出滤波电路是为了去除输出电压中的高频噪声，使输出电压更加平稳。
它通常由电感和电容等元件组成。
二、DC-DC变换器的分类根据输出电压和输入电压的关系，DC-DC变换器可以分为降压变换器、直流稳压变换器和升压变换器三种。
降压变换器是将输入电压降低到所需的输出电压。
常用的降压变换器有降压开关电路和降压线性电路等。
直流稳压变换器是将输入电压保持在一个稳定的值。
常用的直流稳压变换器有稳压二端子元件、稳压三端子元件和稳压集成电路等。
升压变换器是将输入电压升高到所需的输出电压。
常用的升压变换器有升压开关电路、升压变压器和升压线性电路等。
三、DC-DC变换器的计算1.降压变换器的计算降压变换器的关键参数包括输入电压Vin、输出电压Vout、输出电流Iout、开关管的最大电流Isw和开关频率f等。
输出电流Iout的计算公式为：Iout = Vout / R其中R为输出电路的负载电阻。
开关管的最大电流Isw的计算公式为：Isw = D * Iout / (1 - D)其中D为开关管的工作占空比，表示开关管的开启时间与一个周期时间的比值。
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数学模型:
t
diL iL uL L U S uC dt 初值条件? im duC uC iC C iL dt R iC
iM
t
假设uC=Uo =常数iL线性增加
t
2主要波形—电感电流连续情形 + uL uG
+ uo uL
U S uC
ton
主要波形 toff t
T断开等效电路
数学模型:
t
uC
diL iL uL L uC dt 初值条件? im duC uC iC C iL dt R iC
iM t t
假设uC= Uo =常数iL线性减少
3 主要数量关系—电感电流连续情形 表现系统主要性能指标的量： (1) 平均输出电压Uo
(2) 平均输出电流Io
T R uo
io
开关管T导通等效电路
3.1
iS US
T
直流PWM控制技术基础
io
uo
3.1.1 直流变换的基本原理及PWM概念
R
开关管仅两种工作状态： 接通与断开
（2）开关管T断开时， R两端电压 uo=0
基本的直流变换电路
iS US
T R uo
io
开关管T断开等效电路
开关管IGBT断开控制： UG=0
fC (1 D ) D DuC US 2 f
2 2
1 f TS
记：
电路T开关频率
fC
1 2 LC
滤波电路 截止频率
纹波系数：
DuC DuC (1 D) UC UO 2
2
fC f
2
f C f 时, 电压纹波系数很小
2．直流PWM波形的生成方法 调制法生成PWM波形典型框图：
u*R: 调制信号
uC: 载波信号
载波信号频率远大 于调制信号频率
返回
3.2
基本的直流变换电路
3.2.1 降压斩波电路
3.2.2 升压斩波电路
3.2.3 升降压斩波电路 3.2.4 库克变换电路
返回
3.2
基本的直流变换电路
基本的直流变换电路：降压斩波电路、升压 斩波电路、升降压斩波电路、库克变换电路 介绍内容： 1、电路结构 2、工作原理 3、主要波形
第3章 DC/DC变换电路
直流变换—将直流电能(DC)转换成另一 固定电压或电压可调的直流电能。
直流变换电路—完成直流变换的电路。 直流变换器—实现直流变换的装置。
3.1
直流PWM控制技术基础
3.1.1 直流变换的基本原理及PWM概念 直流变换问题的提出 直流供电电压一定，而负载需要不同电压
直流调速：需要可变的直流电压
4 主要波形—电感电流断续情形 电感电流断续情形： 在一段时间内iL=0
uG>0 T导通等效电路
uG=0
T断开、D续流等效电路 降压电路 uG=0
T断开、D断开等效电路
4 主要波形—电感电流断续情形 + uL u
+ uo G
t
uL
U S uC
T导通等效电路
数学模型:
t
diL uL L U S uC dt 初值条件 duC uC iC C iL dt R
1、器件是理想的（不考虑开关时间、导通压降等） 2、输出滤波电容较大，输出电压基本平直
2 主要波形—电感电流连续情形
uG>0 T导通等效电路
降压电路
uG=0
电感电流连续情形： iL>0
T断开等效电路
2 主要波形—电感电流连续情形 + uL u
+ uo T导通等效电路
G
T导通波形
t
uL
U s uC
直流升压：太阳能电池输出电压较低，需要 变换到较高电压再变换为直流
3.1
iS US
T
直流PWM控制技术基础
io
uo
3.1.1 直流变换的基本原理及PWM概念
R
开关管仅两种工作状态： 导通与断开
（1）开关管T导通时， R两端电压 uo=US 开关管IGBT导通条件： UG>0
基本的直流变换电路
iS US
iL
iM
iC
t
假设uC=Uo =常数iL线性增加
t
4 主要波形—电感电流断续情形 + uL toff t on u
+ uo G
t
uL
U S uC uC
tcon t
T断开、D续流等效电路
数学模型:
diL uL L uC dt 初值条件 duC uC iC C iL dt R
t
(3) 电感电流纹波DIL
iL
diL uL L U S uC U S UO dt
DI L iM im U S UO t on L 1 D U S ton L
im
iC
IO
iM t t
3 主要数量关系—电感电流连续情形
uG ton toff
t
(4) 电感电流极值iM、im
uG iL ton toff
t
(5) 电容电压纹波DuC
duC uC UO iC C iL iL dt R R
im iC
IO
iM t t
1 DuC UCM UCm C 1 1 Ts DI L DuC * * * C 2 2 2
ton toff / 2
ton / 2
iS
T L D
iL
io
R uo
US
C
iL
io
US
D
C
R
uo
电感电压uL= – uo， 在该电压的作用下， 电感电流iL线性下降 ， 电感储能减少
T断开等效电路（iL>0)
电感储能向电容、负载转移
3.2.1 降压变换电路 1 降压变换电路工作原理
（2）T 断开情形-电流断续
iS
T L D
iS
T L
iL
ton ton D1 D2 Ts1 Ts 2
u
TS1
ton
t
u ton
t
TS2
3.1.1 直流变换的基本原理及PWM概念 改变占空比D有三种基本方法： ②脉冲宽度调制(PWM)
维持TS不变，改变ton
u
TS
ton1 t
在这种方式中，输出 u 电压波形的周期不变， 仅改变脉冲宽度。 有利于滤波器的设计
TS
ton2
t
3.1.1 直流变换的基本原理及PWM概念 改变占空比D有三种基本方法： ③混合脉冲宽度调制
u TS ton1 t u ton2 t TS2
脉冲周期TS与宽度ton 均改变。
广义的脉冲宽度 调制技术包含上 述三种控制方式
3.1.2 PWM技术基础
1．面积等效原理——PWM应用的理论基础 自动控制理论冲量相等而形状不同的窄脉冲
3.1.1 直流变换的基本原理及PWM概念
iS US
T R uo
io
基本的直流变换电路
开关管IGBT控制电压
R两端平均电压：
ton Uo U S Ts
控制一周期中导通时间比 例可控制输出平均电压
R两端电压波形
3.1.1 直流变换的基本原理及PWM概念 导通占空比 占空比
导通比
定义上述电路中导通占空比D为:
第3章 DC/DC变换电路
3.1 直流PWM控制技术基础
3.2 基本的直流斩波电路 3.3 复合斩波电路 3.4 变压器隔离的直流—直流变换器
返回
第3章 DC/DC变换电路
直流变换—将直流电能(DC)转换成另一固 定电压或电压可调的直流电能。
基本的直流变换电路：降压斩波电路、升压 斩波电路、升降压斩波电路、库克变换电路 重点：电路结构、工作原理及主要数量关系
iL
iM t
iC
假设uC= Uo =常数iL线性减少
t
4 主要波形—电感电流断续情形
U S uC uC
t
iL
im
iC
或：(US Uo ) * ton (Uo ) * toff 0
t U o on U S DU S TS
iM t t
3 主要数量关系—电感电流连续情形
出平均电流Io
Io UO U D S R R
U S uC uC
(3) 电感电流纹波DIL (4) 负载电压纹波DUO 主要器件承受的电压、电流等量可根据波形确定
3 主要数量关系—电感电流连续情形
uG
ton toff
t
uL
(1) 平均输出电压Uo 稳态情况下，电感上一 周期中的平均电压为零。
(U S uC ) * ton (uC ) * toff 0
（1）T导通情形
iS
T
L
iS
T L D
iL
io
R uo
US
C
iL
io
R uo
US
D
C
T导通等效电路
电感电压uL=US– uo， 在该电压的作用下， 电感电流iL线性增长 ， 电感储能增加
电源能量向电感、负载传递
3.2.1 降压变换电路 1 降压变换电路工作原理
（2）T 断开情形-电流连续
iS
T L
加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
e(t)
5
e(t)
10
e(t)
20
e(t)
d(t)
t
0.2 0.1
t
0.2
t
t