第5章DC-DC變換技術(shù),5.1概述5.2DC-DC變換器的基本電路拓?fù)?.3帶變壓器隔離的DC-DC變換器原理5.4PWM控制器原理,返回,5.1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(chēng)之為DC-DC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：性能更加可靠；功能不斷增加；使用更加方便；體積日益減小。這些使DC-DC變換技術(shù)變得更加重要。目前，DC-DC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DC-DC變換技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。實(shí)現(xiàn)DC-DC變換有兩種模式，一種是線(xiàn)性調(diào)節(jié)模式(LinearRegulator)，另一種是開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)模式（SwitchingRegulator）。,1、兩種調(diào)節(jié)模式及比較線(xiàn)性調(diào)節(jié)器模式如圖5-1a所示，在這種模式中晶體管工作在線(xiàn)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5-1b所示。顯然晶體管功率損耗為。開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)模式如圖5-2a所示，其等效電路和輸出電壓如圖5-2b、5-2c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)（Idealswitch），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5-3a和圖5-3b所示。,圖5-1a線(xiàn)性調(diào)節(jié)器模式b等效電路,圖5-2a開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)模式圖5-2b等效電路圖5-2c輸出電壓,a線(xiàn)性模式電源框圖,b開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS:Switch-modepowersupply)框圖圖5-3線(xiàn)性電源和開(kāi)關(guān)電源框圖,開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)模式與線(xiàn)性調(diào)節(jié)模式相比具有明顯的特點(diǎn)：1、功耗小、效率高。在DC-DC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。2、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DC-DC變換無(wú)笨重的工頻變壓器，所以DC-DC變換體積小、重量輕。3、穩(wěn)壓范圍寬。目前DC-DC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)。,2DC-DC變換分類(lèi)：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DC-DC變換中有專(zhuān)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（pulsewidthmodulation）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（pulsefrequentmodulation）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DC-DC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DC-DC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?？煞譃榇?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(chēng)之為串聯(lián)型；儲(chǔ)能電感并聯(lián)在輸出與輸入之間稱(chēng)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。可分為硬開(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。可分為降壓型和升壓型。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DC-DC變換器按電力半導(dǎo)體器件的個(gè)數(shù)可分為：?jiǎn)喂蹹C-DC變換器單端正激（Forward）、單端反激(Flyback)；雙管DC-DC變換器雙管正激(Doubletransistorforwardconverter)、雙管反激（Doubletransistorflybackconverter）、推挽電路（Push-pullconverter）和半橋電路（Half-bridgeconverter）等；四管DC-DC變換器即全橋DC-DC變換器（Full-bradgeconverter）。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（Buck-Boost）變換器、Cuk變換器、Zeta變換器、Sepic變換器等。,3、DC-DC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0-100%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,5.2DC-DC變換器的基本電路,1、Buck電路Buck電路又稱(chēng)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5-5a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5-5b、c、d所示。,圖5-5Buck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5-6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5-6a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（Continuouscurrentmode）,圖5-6Buck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5-5b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(chēng)為續(xù)流二極管的原因。等效電路如圖5-5c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成正比，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5-6a所示。因?yàn)?，?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(xiàn)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(xiàn)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(chēng)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（Discontinuouscurrentmode）圖5-6b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)：Q導(dǎo)通，電感電流iL從零增長(zhǎng)到；Q關(guān)斷，二極管D續(xù)流，iL從降到零；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5-2b、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(xiàn)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,BUCK變換器設(shè)計(jì)步驟選擇續(xù)流二極管D。續(xù)流二極管選用快恢復(fù)二極管，其額定工作電流和反向耐壓必須滿(mǎn)足電路要求，并留一定的余量。選擇開(kāi)關(guān)管工作頻率。最好工作頻率大于20KHZ，以避開(kāi)音頻噪聲。工作頻率提高可以減小L、C，但開(kāi)關(guān)損耗增大，因此效率減小。開(kāi)關(guān)管可選方案：MOSFET、IGBT、GTR。占空比選擇。為保證當(dāng)輸入電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，輸出電壓能夠穩(wěn)定，占空比一般選0.7左右。確定臨界電感。，電感選取一般為臨界電感的10倍。確定電容。電容耐壓必須超過(guò)額定電壓；電容必須能夠傳送所需的電流有效值；電流有效值計(jì)算：電流波形為三角形，三角形高為，底寬為，因此電容電流有效值為：根據(jù)紋波要求，確定電容容量。確定連接導(dǎo)線(xiàn)。確定導(dǎo)線(xiàn)必須計(jì)算電流有效值（RMS）,電感電流有效值由下式給出：由電流有效值確定導(dǎo)線(xiàn)截面積，由工作頻率確定穿透深度（當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)為圓銅導(dǎo)線(xiàn)時(shí)，穿透深度為：），然后確定線(xiàn)徑和導(dǎo)線(xiàn)根數(shù)。,2、Boost電路Boost電路如圖5-7a所示，等效電路如圖5-7b所示，工作波形圖如圖5-8所示。它是一升壓斬波電路，同Buck變換器一樣，Boost變換器也有電感電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作方式，電感電流連續(xù)時(shí)，存在兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài)；電感電流斷續(xù)時(shí)，存在三種開(kāi)關(guān)狀態(tài)。電路穩(wěn)定狀態(tài)下的工作分析如下：,圖5-7Boost電路及不同開(kāi)關(guān)狀況下等效電路,圖5-8Boost電路各點(diǎn)工作波形,1)電感電流連續(xù)模式CCM（Continuouscurrentmode）開(kāi)關(guān)狀態(tài)1：Q導(dǎo)通Q管導(dǎo)通，輸入電壓加到儲(chǔ)能電感L兩端，二極管D被反向截止，等效電路如圖5-7b所示，流過(guò)電感的電流：開(kāi)關(guān)狀態(tài)2：Q截止Q管截止，二極管正向偏置而導(dǎo)通，等效電路如圖5-7c所示電源功率和儲(chǔ)存在L中的能量通過(guò)二極管D輸送給負(fù)載和濾波電容C。此時(shí)流過(guò)電感的電流為：,顯然，只有Q管導(dǎo)通期間（內(nèi)）儲(chǔ)能電感L增加的電流等于Q管截止期間（內(nèi)）減少的電流，這樣電路才能達(dá)到平衡，才能保證儲(chǔ)能電感中一直有能量，才能不斷地向負(fù)載提供能量和功率。解得：表明BoostDC-DC變換器是一個(gè)升壓電路，當(dāng)占空比從零變到1時(shí)，輸出電壓從變到任意大。設(shè)負(fù)載阻抗Z=RL，從能量守恒定律出發(fā)，輸出電流IO=VO/RL，電感平均電流即為輸入電流IL=Ii：,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(xiàn)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(chēng)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。,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5-8a所示。若忽略負(fù)載電流脈動(dòng)，則在導(dǎo)通期間電容泄放電荷量應(yīng)等于在關(guān)斷期間電容充電電荷量，反映了電容峰-峰電壓脈動(dòng)量：由此可知，降低紋波電壓，除與輸出電壓有關(guān)外，增大濾波電容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。,2）電感電流斷續(xù)工作方式（Discontinuouscurrentmode）Boost變換器在電感電流斷續(xù)時(shí)有三種開(kāi)關(guān)狀態(tài)：Q導(dǎo)通，電感電流從零增長(zhǎng)到；Q關(guān)斷，二極管D續(xù)流，電感電流從降到零；Q和D均截止，電感電流保持為零，負(fù)載由輸出濾波電容供電。這三種工作狀態(tài)的等效電路如圖5-7b、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，電感電流從線(xiàn)性下降，并在時(shí)刻下降到零，即：,式中，電感電流斷續(xù)時(shí)若t=toff時(shí)電流恰好等于零，兩邊各自相加除以2得即臨界電感電感電流臨界連續(xù)時(shí)的平均值,3、Buck-Boost電路圖5-9a為Buck-Boost電路原理圖，它即能夠工作在Buck型，又能夠工作在Boost型。它的輸入電壓極性與輸出電壓極性相反，輸入為正時(shí)輸出為負(fù)，在Buck和Boost變換器中存在一個(gè)能量從電源流入負(fù)載的期間，而在Buck-Boost變換器中，能量首先儲(chǔ)存在電感中，然后再由電感向負(fù)載釋放能量。,圖5-9Buck-Boost電路原理圖,1、電感電流連續(xù)模式CCM（Continuouscurrentmode）在電感電流連續(xù)條件下，工作于圖5-9b、c所示的兩種狀態(tài)。狀態(tài)1：Q導(dǎo)通Q管導(dǎo)通，二極管D反偏關(guān)斷，能量從輸入電源流入，并存儲(chǔ)在電感L中，L上的電壓上正下負(fù)，等于輸入電壓，此時(shí)負(fù)載電流由慮波電容C提供，等效電路如圖5-9b所示。在ton期間內(nèi)電感電流的增量為：,狀態(tài)2：Q關(guān)斷在t=ton時(shí)刻，Q關(guān)斷，由于電感中電流不能突變，L上呈現(xiàn)的感應(yīng)電勢(shì),當(dāng)該感應(yīng)電勢(shì)超過(guò)輸出電壓VO時(shí)，二極管導(dǎo)通，電感L上存儲(chǔ)的能量通過(guò)D向負(fù)載和電容C釋放，補(bǔ)充了電容C在ton期間損失的能量，負(fù)載電壓極性與輸入電壓極性相反，等效電路如圖5-9c所示，波形如圖5-10a所示。電流按線(xiàn)性規(guī)律直線(xiàn)下降，電感電流的減少量為顯然，電路平衡時(shí)，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。因此電流在開(kāi)通和關(guān)斷期間變化相等，得輸出電壓平均值改變占空比就能獲得所需的輸出電壓。,當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，為升壓型；當(dāng)時(shí)，為降壓型。這樣，就可以得到高于或低于輸入電壓的任何輸出電壓。在要求輸出電壓一定的情況下，容許輸入電壓有較大的變化都能夠工作。假設(shè)電路中所有的器件為理想開(kāi)關(guān)，即變換器無(wú)功率損耗，輸入功率等于輸出功率，負(fù)載阻抗：由于輸入平均電流與電感平均電流有以下關(guān)系,因此有：電感電流的最大值：電感電流的最小值：當(dāng)電感電流的最小值為零時(shí)，電感為臨界電感：電容上的峰-峰脈動(dòng)電壓求法同Boost電路一樣，可得：,Q管截止時(shí)承受的反向電壓為：Q管開(kāi)通時(shí)，加于二極管D上的反向電壓為,2）電感電流斷續(xù)工作方式（Discontinuouscurrentmode）圖5-10b給出了電感電流斷續(xù)工作時(shí)的主要波形，此時(shí)Book-Boost變換器有三種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，Q導(dǎo)通，電感電流從零增長(zhǎng)到最大值；Q關(guān)斷，二極管續(xù)流，電感電流從最大值降到零；Q和D均截止，電感電流保持為零，負(fù)載由輸出濾波電容供電。這三種工作狀態(tài)的等效電路如圖5-9b、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，電感電流線(xiàn)性下降，并在時(shí)刻下降到零，即：,因此有：式中，電感電流斷續(xù)時(shí)若t=toff時(shí)電流恰好等于零:兩邊各自相加后除以2得電感電流臨界連續(xù)時(shí)的平均值,BUCK-BOOST電路MATLAB仿真,4、Cuk電路由于Buck-Boost變換器的電感L在中間，其輸入和輸出電流的脈動(dòng)都很大。針對(duì)這一缺點(diǎn)，美國(guó)加州理工大學(xué)的SlobdanCuk教授提出了單管Cuk變換器，該變換器使用了兩個(gè)電感，一個(gè)在輸入端，一個(gè)在輸出端，從而減小了電流脈動(dòng)。Cuk變換器的電路形式如圖5-11a所示，在負(fù)載電流連續(xù)的條件下，工作波形圖如圖5-12a所示，其中L1、L2為儲(chǔ)能電感，Q為功率開(kāi)關(guān)管，D為續(xù)流二極管，C1為傳輸能量的耦合電容，C2為濾波電容。Cuk變換器能夠提供一個(gè)反極性、不隔離的輸出電壓，輸出電壓可高于或低于輸入電壓，而且其輸入電流和輸出電流都是連續(xù)的、非脈動(dòng)的，這些特點(diǎn)使Cuk變換器有著廣闊的應(yīng)用前景。,圖5-11Cuk變換器電路原理圖及等效電路,圖5-12CUK變換器工作波形,模式1：Q導(dǎo)通Q導(dǎo)通，L1儲(chǔ)能，C1電容上的電壓使D反偏置，電容通過(guò)負(fù)載Z和L2傳輸能量，負(fù)載獲得反極性電壓，L2、C2儲(chǔ)能。由電路可知，在這種電路結(jié)構(gòu)中，Q管和二極管D是同步工作的，Q導(dǎo)通，D截止；Q截止，D導(dǎo)通。L1的電流增量為：從輸出回路來(lái)看，在ton期間，C1供電，L2儲(chǔ)能，若C1的足夠大，可忽略C1上的壓降，則L2上的電壓為，L2中的電流以的速率線(xiàn)性上升，在ton期間，L2的電流增量為：,模式2：Q關(guān)斷在toff期間，Q截止，D導(dǎo)通，電容C1被充電，L1通過(guò)C1和D向C1充電儲(chǔ)能，同時(shí)L2向負(fù)載釋放能量，在這種電路結(jié)構(gòu)中，無(wú)論在ton期間還是在toff期間都從輸入向負(fù)載傳輸能量，只要電感L1、L2和電容C1足夠大，輸入輸出電流基本上是平滑的。在toff期間C1充電，在ton期間C1向負(fù)載放電，可見(jiàn)C1起著傳遞能量的作用。在toff期間，L1釋放能量，L1上的壓降，L1中的電流以的速率線(xiàn)性下降，L1的電流減量為：,從輸出回路來(lái)看，在toff期間，由于D導(dǎo)通，L2釋放能量，則L2上的電壓為-VO，L2中的電流以的速率線(xiàn)性下降，在toff期間，L2的電流減量為：在穩(wěn)定狀態(tài)下，電感L1電流變化量應(yīng)相等L2中電流變化量應(yīng)相等,若C1足夠大，在導(dǎo)通、截止期間上的電壓可認(rèn)為近似不變（只有很小的頂降），則有假設(shè)電路中所有的器件為理想開(kāi)關(guān)，即變換器無(wú)功率損耗，輸入功率等于輸出功率，負(fù)載阻抗Z=RL，輸入平均電流Ii即為電感L1平均電流IL1,電感L1電流的最大值：電感L1電流的最小值：臨界電感：輸出平均電流即電感L2的平均電流：L2電感電流的最大值：,電感電流的最小值：臨界電感：下面來(lái)看電容C2的峰-峰脈動(dòng)電壓。假設(shè)負(fù)載電流的脈動(dòng)量很小而可以忽略，即電感的峰-峰脈動(dòng)電流即為電容充放電電流。,CUK電路MATLAB仿真,返回,5.3隔離的DC-DC變換器原理,在實(shí)際應(yīng)用中，有許多場(chǎng)合需要輸出電壓和輸入電壓隔離，或需要多路輸出，此時(shí)需要高頻變壓器來(lái)完成這些功能。1、單端DC-DC變換器原理及設(shè)計(jì)上一節(jié)介紹的四種基本類(lèi)型的變換器加上變壓器隔離后，可以引申出各種類(lèi)型的單端變換器：Buck型引申為Forward型（單端正激）變換器；Boost型引申為Fly-back型（單端反激）變換器。,1）Fly-back（單端反激）變換器原理Fly-back（單端反激）變換器原理圖如圖5-13所示。在工作過(guò)程中，變壓器起了儲(chǔ)能電感的作用，實(shí)際上是耦合電感，用普通導(dǎo)磁材料作鐵芯時(shí)，鐵芯必須留有氣隙，保證在最大負(fù)載電流時(shí)鐵芯不會(huì)飽和。Fly-back（單端反激）變換器由于電路簡(jiǎn)單，所用器件少，適于多路輸出場(chǎng)合應(yīng)用。,圖5-13Fly-back變換器原理,和BOOST變換器一樣，F(xiàn)ly-back（單端反激）變換器也有電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作方式，僅僅是連續(xù)和斷續(xù)的定義不同。BOOST變換器只有一個(gè)電感，F(xiàn)ly-back變換器是耦合電感，對(duì)原邊繞組的自感來(lái)講，它的電流不可能連續(xù)，因?yàn)楣β示w管斷開(kāi)后電流必然為零，這時(shí)必然在次級(jí)繞組的自感中引起電流，故對(duì)Fly-back變換器來(lái)講，電流連續(xù)是指變壓器兩個(gè)繞組的合成安匝在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中不為零，與此相反即為電流斷續(xù)。,開(kāi)關(guān)狀態(tài)1：Q導(dǎo)通等效電路如圖5-14a所示，在時(shí)，功率晶體管的門(mén)極被激勵(lì)而導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓加到變壓器的初級(jí)繞組兩端，由于變壓器對(duì)應(yīng)的極性，次級(jí)繞組下正上負(fù)，二極管截止，次級(jí)繞組中沒(méi)有電流流過(guò)，負(fù)載電流由濾波電容提供。此時(shí)只有變壓器原邊繞組工作，變壓器相當(dāng)于一個(gè)電感，設(shè)繞組N1的電感量為L(zhǎng)1，繞組N2的電感量為L(zhǎng)2，則管導(dǎo)通期間流過(guò)初級(jí)繞組N1的電流為：,圖5-14Fly-back變換器不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)的等效電路圖,t=ton時(shí)，電流ip達(dá)到最大值ipmaxt=ton時(shí)，功率晶體管Q截止，如圖2-14b所示，原邊繞組開(kāi)路，次級(jí)繞組的電壓極性上正下負(fù)，二極管D導(dǎo)通，導(dǎo)通期間儲(chǔ)存在變壓器中的能量通過(guò)二極管向負(fù)載釋放，同時(shí)向電容充電。此時(shí)變壓器只有副邊繞組工作，Q管截止期間流過(guò)次級(jí)繞組的電流為：t=T時(shí)，副邊電流is達(dá)到最小值：,t=T時(shí)刻，Ismin=0表示導(dǎo)通期間儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量剛好釋放完畢；Ismin0表示導(dǎo)通期間儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量還沒(méi)有釋放完；IsminW3，則去磁時(shí)間小于開(kāi)通時(shí)間即開(kāi)關(guān)管的