直流 直流变换器
直流直流变换器介绍课件
3
高频交流电经过变压器后，再通过整流 和滤波，将高频交流电转换为直流电。
4
直流直流变换器可以实现电压、电流和 功率的调节，以满足不同的应用需求。
应用领域
电动汽车：作为动 力系统的核心部件，
实现能量转换和分 1
配
航空航天：为航天 4
器提供稳定的电源， 确保航天任务的顺
利完成
太阳能发电：将太 阳能转化为电能，
直流直流变换器介绍课件
演讲人
目录
01. 直流直流变换器概述 02. 直流直流变换器分类 03. 直流直流变换器设计要点 04. 直流直流变换器发展趋势
直流直流变换器概述
基本概念
直流直流变换器： 将直流电转换为 直流电的设备
输入电压：变换 器接收的直流电 压
输出电压：变换 器输出的直流电 压
转换效率：变换 器将输入电压转 换为输出电压的 效率
拓扑结构：变换 器的电路结构， 如升压、降压、 升降压等
控制方式：变换 器的控制方式， 如PWM、PFM 等
应用领域：直流 直流变换器的主 要应用领域，如 电力电子、新能 源等
工作原理
1
直流直流变换器是一种将直流电转换为 直流电的设备。
2
其工作原理是通过控制开关管的通断， 将直流电转换为高频交流电。
考虑电路的损 耗和效率
考虑电路的稳 定性和动态性 能
考虑电路的体 积和成本
考虑电路的可 扩展性和可维 护性
控制策略设计
1
控制目标：实现直流直流变换器的稳 定、高效运行
2
控制方法：采用PID控制、模糊控制、 自适应控制等方法
3
控制参数：根据系统特性和需求，调 整控制参数以实现最佳性能
4
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。
buck直流变换器研究现状
buck直流变换器研究现状（一）直流变换器当今科学技术日益发展，直流电源系统或直流驱动设备发展迅速，在各种场合中的应用越来越普遍。
对直流变换器的需求和对直流变换器的性能、参数指标要求都越来越高。
直流变换器的发展趋势是从大体积向小体积发展，功率密度、转换效率是从低到高发展。
效率的提高使发热减少，可靠性也就大大提高。
双向直流变换器的提出和应用，实现了上述要求。
双向dc-dc变换器是通过对传统的单向直流变换器改进而成，将有源开关代替无源开关，双向基本变换单元代替单向基本变换单元，通常把二极管D和开关管Q反向并联，在把电容分别并联在输出输入两端即能实现。
双向dc-dc变换器改进了单向dc-dc变换器，实现能量双向传输，在生产应用中减少了器件数目，降低了成本，提高了效率，提高了性能，是直流变换器发展历程中重要的改进。
上世纪八十年代，美国学者提出双向Buck/Boost直流变换器，主要用来应用于人造卫星。
上世纪九十年代，香港大学陈清泉教授进行了电动车用双向dc-dc变换器的研究实验。
同年，F.Caricchi教授提出了Buck－Boost级联型双向dc-dc变换器，克服了双向直流变换器因输出输入极性相反而不适合于电动车的问题。
98年，美国弗吉尼亚大学的李择元教授开展用于燃料电池的双向dc-dc 变换器的研究和试验工作。
综上可见，航天技术和电动车技术对直流变换器的发展应用产生了重要推动作用。
1994年Felix A．Himmelstoss 发表的文章阐述了不隔离双向直流变换器的拓扑结构。
主要有已下几种： Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk 、Sepic、Zeta 双向直流变换器。
隔离式双向dc-dc变换器有：正激、反激、推免和桥式等拓扑结构。
在所有结构中，Buck和Boost是最基本的电路。
直流变换器应用很普遍，主要有：远程及数据通讯，计算机，工业仪器仪表，电动汽车，太阳能电池阵，分布式电站，军事航天等方面。
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。
三端口隔离型直流变换器的简化分析与性能优化方法
三端口隔离型直流变换器的简化分析与性能优化方法汇报人：2024-01-10•引言•三端口隔离型直流变换器的基本原理目录•三端口隔离型直流变换器的简化分析方法•三端口隔离型直流变换器的性能优化方法•实验验证与结果分析目录•结论与展望01引言三端口隔离型直流变换器的特点三端口隔离型直流变换器具有三个独立的端口，可以实现能量的双向流动，具有较高的功率密度和能量转换效率。
简化分析与性能优化的重要性为了更好地应用三端口隔离型直流变换器，需要对其进行分析和优化，简化分析方法并提高其性能。
电力电子技术的快速发展随着电力电子技术的快速发展，直流变换器在能源转换、电机控制等领域的应用越来越广泛。
背景介绍1 2 3通过对三端口隔离型直流变换器的简化分析和性能优化，可以更好地解决实际应用中的问题，提高设备的效率和稳定性。
解决实际应用问题对三端口隔离型直流变换器的研究可以推动电力电子技术的发展，为相关领域的技术进步做出贡献。
推动电力电子技术的发展三端口隔离型直流变换器在新能源和节能技术领域有广泛的应用前景，对其的优化可以促进这些领域的技术进步。
促进新能源和节能技术的发展研究意义02三端口隔离型直流变换器的基本原理工作原理基于开关管的控制，通过改变开关管的导通和关断状态，实现电压和电流的转换。
开关管的控制信号通常由控制电路产生，控制电路根据输出电压或电流的反馈信号调整开关管的开关状态。
三个端口：输入、输出和辅助电源端口。
工作原理主要由输入滤波电路、主开关电路、输出滤波电路、辅助电源电路和控制电路等部分组成。
输入滤波电路用于减小输入电压的波动和抑制电磁干扰；主开关电路实现电压和电流的转换；输出滤波电路减小输出电压的纹波；辅助电源电路为控制电路提供工作电源；控制电路产生开关管的控制信号。
电路结构根据工作方式的不同，可以分为连续导通模式（CCM）和断续导通模式（DCM）。
根据输出电压和输入电压的关系，可以分为降压型、升压型和隔离型。
什么是直流pwm变换器
什么是直流pwm变换器
什幺是pwn
PWM是脉冲宽度调制的意思，PWM输出波形是一系列占空比变化的脉冲。
这里提到了调制的概念，也就是说，PWM波中包含了方波和一个调制信号。
通过解调（一般采用低通滤波器或积分器）可以获取调制信号。
比如说，变频器输出的PWM信号就是以方波为载波，以正弦波为调制信号的脉冲宽度调制波。
PWM电压信号施加在电机上，由于电机是感性负载，流过电机绕组的主要就是调制波（正弦波）。
从信号构成上看，PWM包含了基波（调制正弦波波）和谐波，由于载波是方波，因此，谐波含量很丰富，且具有很高频率的谐波。
DC-DC Converter (直流变换器)资料
Ui
D
L
iL iO
R
Uo C
L
S
导通 Ui
C
电感电流：
连续 (CCM-Continuous Current Mode)
临界 断续(DCM-Discontiuous Current Mode)
S 阻断
电压纹波、谐波、内阻 ……
L
iL 0
C
iL 0
C
R Uo
R
Uo
R Uo
1 电流的不同状态
★ 电流连续状态：
uL iC
S1
S1
T
S2
t
S1 S2
S2
★ 电流临界状态：
I LM
1 L
tON 0
uLdt
1 L
(U i
Uo )tON
DTUi (1 D) L
临界电流平均值：
I LC
1 2
I
LM
UiT D(1 D) 2L
4I LCM D(1 D)
I LCM
TUi 8L
Ui
UO
ton
toff
t
DT
D=0.1
D=0.5
D=0.9
★ 电流断续状态：
uL Ui -UO
(1-D)T
t
DT
1T
-UO
2T
(Ui Uo )DT 1TUo Uo D Ui D 1
D 1 1 Uo
续流时间＝？
Ui
iS ii S
D
L
iL iO
R
Uo C
Io
1 2
I LM
(D
1 )T
/T
Uo 2L
1T
(
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
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? = 1 TS
V dt Ton 2
Ton 2 i
= Vi ?Ton Ts
= D ?Vi
CT
E Io vo
ii
G
Vg D
R F
Vi
iD
io L
O
(a)电路
Vg
Ton
Toff
Ton
Ts
(b)驱动信号
vo (vEO )
O
t
Vi - p
p 2p
- Ts 0
2
Ts Ts 2
(c)输出电压波形
Vo = DVi w t(t)
i c
1 + Di
L
2
2 2 2 8f
t
DV0
= V0max
-
V0min
=
DQ C
=
(1- D)V0 8LCf 2
- 1 Di L
直流－直流变换器
? 直流－直流降压变换器（ Buck变换器） ? 直流－直流升压变换器 (Boost 变换器) ? 全桥直流-直流变换器 ? 带隔离变压器的直流 —直流变换器
3.1直流－直流降压变换器（Buck变换器）
io VO
R
R
RCE
Ig
io VO R
Vi
L
Vi
L
Vi
T
Ig
io VO
i
i
R
L Vi
v g
T
T off
on
t
i
i
T
E
v EO
+
v l
-
V o
i
i
L
o
V+
i
-
G
V g
D
i L
L
i
C
C
C
R
i
i
T
o
o
o
T s
I L max
I =I
L
o
I
L min
t
i
T
I
L max
i
D
i T
I
L min
t
v
? 电容C在一个开关周期内的充 EO
v
i
电电荷为：
v i t
DQ = 1 ?DiL ?Ts = DiL
+ -
T
E
vEO
+
v l
-
V o
i
G
V g
D
i
L
L C
i
CC
o R
i o
o
o
buck 电路图
电路的开关状态和工作波形
i i
V+
i
-
o
T
E
v EO
+
v l
-
V o
i
o
G
V g
D
i
L
L
i
C
CC
R
i o
o
v
i
+ l-i
V o
i
l
V i
L C
I o
iR
C
(b) 开关状态 1，T导通D截止等值电路
T
- v+
? 偶函数（奇函数）：正弦（余弦）项系数为零；
? 半波对称函数：偶次谐波为零；
? ? 对称函数：偶次谐波为零，余弦项的系数为零；
直流分量、基波、谐波、纹波
? 在直流电路中分解后的常量可看成所需要的直流量，谐波
都是不需要的量。
vEO
=
DV1
+
?
?
2V1 sin( nDp ) cos nwt
n=1 n T S
0
? ? an
=
2 T
T
F
(t
)
cos(
nwt
)
dt
=
1Байду номын сангаас
0
p
2p F (wt) cos( nwt)d (wt)
0
? ? bn
=
2 T
T
F
(t
)
sin(
nwt
)dt
=
1
0
p
2p F (wt) sin(nwt)d (wt)
0
用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量 (续)
? F(ωt)
?
? F (wt) = C0 + Cn cos(nwt + ?n ) n =1
l
D
i l
L
V i
C
V o i o
R
(c)开关状态 2，D导通 T阻断等值电路
v
g
T
T off
on
t
T
s
i
I
L
L max
I =I
L
o
I
L min
t
iT
i
T
I
L max
i
D
i
T
I
L min
t
vEO vi
vi
t
i c
+ 1 Di L 2
t
v-
1 2
DiL
o
DQ
Ts 2
V o
t
T on
T off
T s
变压比、导通比的定义
i
o
o
v
i
ii
l
l
+
-
Vo
V
L
I
i
C
o
i
R
C
用电感电流表达式求变压比（续1）
? T 截止、 D导通
L?diL dt = - V0
DiL-
= V0 L
?(Ts
-
Ton )
= V0 L
?(1 -
D) ?Ts
i
i
V+
i
-
o
v
T
EO v
E
+ l-
V
oi
G
V g
D
o
i L
L
i
C
C
C
R
i
o
o
T
+ v-
V o
l
变压比 ：
M = V0 / Vi
导通比（占空比）： D = Ton / TS
Ton = DTs
Toff = (1 - D)Ts
变压比与电路结构和导通比都有关系， 他们之间的关系可用多种方法推导。
用波形积分的 方法求变压比
? vEO的直流分量 V0为:
? V0
=
1 Ts
v dt Ts 2
- Ts 2 EO
? ? C0
=
a0
=
1 T
T
F (t)dt =
1
0
2p
2p F (wt )d (wt )
0
Cn =
a
2 n
+
bn2
用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量(续)
vEO
=
DV1
+
?
?
2V1
n=1 nT S
sin(nDp ) cos nwt
在许多实际的电力电子变换器中，由于电路开关通 断状态在时间上的 对称性 ，使电压、电流波形具有某些 特定的对称性，从而 使其付立叶级数表达式中某些项系 数为零，且其它项系数的计算也变得比较简单。 物理上 这种情况就是这时电流或电压波形中不存在某些电流或 电压分量。
i
D
iL l
o
V
i
C
R
(c) 开关状态 2，D导通 T阻断等值电路
用电感电流表达式求变压比（续2）
? 稳态时：
DiL-
= V0 ?(1 L
D) ?Ts
=
DiL+
=
Vi
- V0 L
?D ?Ts
故有 V0 = M Vi = DVi
电流连续时，变压比M等于导通 比D，与负载大小无关。
输出电压波动量计算
用傅立叶分解方法求变压比和谐波分量
? 周期性函数可以分解为无限项三角级数——付立叶级数：
?
? F (wt) = a0 + ?an cos(nwt) + bn sin( nwt)? n=1
? ? ? a0
=
1 T
T
F
(t )dt
=
1
0
wT
2p F (wt)d (wt) = 1
0
2p
2p F (wt)d (wt)
?在交流电路中一般不会有直
流分量，分解出的最低次谐波
i
i
常常称为基波，其他谐波一般
都是不需要的分量。
Vi
+ -
? 谐波一般用滤波器滤掉, o
滤波器的输出电压有纹波。
T
E
vEO
+
vl
-
V o
i
G
V g
D
i
L
L C
i
CC
o R
i o
o
buck 电路图
滤波
i
i
滤波器电抗对谐波
的阻抗为： wL
滤波器电容对谐波
? 电感电流； ? 电感磁通； ?电容电压； ? 电容电荷；
用电感电流表达式求变压比
? T导通、D截止
L ?dii dt = L ?diL dt = Vi - V0
DiL+
=
Vi
- V0 L
?Ton
=
Vi
- V0 L
?D