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第7章

DC/ DC电源转换器

7.1简介

许多工业的应用都需要将一种直流电压变换成另外一种直流电压。能实现这种转换的装置就被称为DC / DC变换器。

自十九世纪末，与由变压器操作的高效AC/AC 转换相反的是，由于功率器件的使用，DC / DC转换在开关操作中已存在可能性；虽然这种转换应该命名为开关DC / DC转换，但它通常被简称为DC / DC转换。

第一例开关转换器可追溯至1950年，，虽然一些种类的真空管转换器是用于例如汽车收音机之类的，但是它们主要应用于军事和太空。

目前，DC / DC开关转换器是在小的电子设备（移动电话，便携式电脑等等）和工业设备的基础上发展。在合适的控制下，开关DC / DC转换器可输出小于或者大于输入电压的参考电压，甚至在负载受到扰动或者输入电压变化时，仍能得到并且保持这个电压值。这个原因使得DC / DC转换器成为一个很好的候选者去尽力赶上直流电源，就像光伏发生器一样，直流电源所输出的电压和所提供的电流有关。为这一目标，控制算法必须考虑到转换器的性能；这是本章的主题，其中对DC / DC转换器的三个主要拓扑结构进行了研究，以明确它们的静态和动态性能。

7.2线性转换

7.2.1由分压器实现线性转换

如图7.1，从直流电源获得不同电压等级的直流电压的最简单的方法就是运用分压器。

图7.1 由直流电源提供的分压器

输出电压由下式给出：

(7.1)

输入和输出功率分别由下式给出：

(7.2)

(7.3)

通过等式7.1得到效率转换公式。

(7.4)

如果，则输出电压的大小和负载电阻值没有关系；在这种情况下，效率就是：

(7.5)

此时所获得的值非常低，这是由于的存在才造成的。

通过设置,，输出电压等于输入电压除以二，在这种情况下。

从上面的说明我们可以看出，由分压器实现的直流变换存在一些不足之处：

1.得不到比输入电压高的直流电压;

2.一般情况下，输出电压取决于负载;

3.效率很低。

最后，验证得到输入电压和输出电压有着一样的百分比变化;这意味着，对于一个分压器来说：

(7.6)

然而，分压器仍有用处，例如，用于对功率损失可忽略不计的电压传感技术。

7.2.2通过串联稳压器进行线性变换

在通过串联稳压器进行的线性变换中，输出电压比输入电压低，那是因为要减去一个发电机电压的输入。

被减去的电压是功率晶体管的电压，功率晶体管串联在电源和负载之间，而这部分电压作为集电极到发射极的电压。为此，功率晶体管的基极应该施加合适的电压；一般来说，这个电压由反馈作用而得到：通过预期电压与实际电压的比较得到误差信号，并且由稳压器进行处理。原理电路图如图7.2.

图7.2 通过串联稳压器的线性转换电路

一旦通过适当设计的稳压器确定了其稳定性，负载电流将会流过功率晶体管，且输出电压由下式给出：

（7.7）

对于供应发电机，功率晶体管和负载来说电流都一样，所以相同的关系维持了功率平衡。

(7.8)

效率由下式给出：

(7.9)

在一般情况下，所描述的电路具有可输出规定电压的优点；但是，它只存在降压转换的可能性，并且由于电源提供的功率不被负载利用而不得不被功率晶体管消耗而导致效率低下。所以，这种电路只会因为低功耗被利用。

7.3开关转换

上述电路的主要缺点，即，效率低，低效率是由于串联连接设备的存在导致电源电压减去了一个电压，所以剩余电压代替了期望电压。在这个装置中（无论是分压器的电阻或者线性调节器的晶体管），电压和电流的同时存在造成了损失耗散。

与此相反的是，开关转换是基于用于切换操作的电力电子开关，这意味着只有两种基本状态存在：开通状态，电源开关的电压为零，电流由外部电路提供；断开状态，电源开关的电流为零，电压由外部电路提供。在这些情况下，由于电压和电流的乘积为零，所以耗散功率为零。只有在开关状态的转换过程中才会产生极少量的功率耗散；这个量取决于从一种状态到另外一种状态的非空白时间，而且它正比于切换频率，不过，预计总体效率是非常高的。

开关变换器的框图如图7.3。直流电源提供在其中产生周期性波形的DC / AC转换单元。直流分量被滤波提取并施加到负载上。在一般情况下，DC / AC转换阶段都有可以调节输出值的控制输入。对于反馈系统，将所获得的输出值与参考值进行比较，产生的误差值由调节器进行处理，此调节器的输出被施加到DC/ AC转换器的控制输入单元。

图7.3 开关变换器框图

应当注意的是，DC / AC转换意味着在供给中不存在的谐波的产生，因此它需要一个非线性器件，并且，从理论上来说，整个电路都需要当做非线性电路来研究。

电源开关被周期性地操作，并且时间的比值表示所述DC / AC转换级的控制输入，其时间比值为开关处于接通状态的时间除以开关周期。通过该输入，无论是在开环状态还是反馈作用下，输出值都可以改变。

通过选择合适的电路拓扑结构，可以得到比输入电压更大或者更小或者两者都有的输出电压。

7.4降压转换器

降压转换器实现的功能是得到比输入电压低的输出电压。其电路如图7.4；电源开关用IGBT来代替，但也可以使用如MOSFET的其他器件。

图7.4 buck变换电路

参考图7.3，IGBT和二极管代替了DC / AC转换级，由于带有电感和电容，该滤波器是一个二阶滤波，并且负载被假定为纯电阻负载。

7.4.1连续工作模式

该开关在周期 内在导通和断开状态之间进行周期性切换。当开关处于导通状态时，二极管反向偏置，工作电路图如图7.5。当开关处于断开状态时，电源电压不工作，二极管正向导通：此工作电路图如图7.6。

图7.5 开关导通状态

图7.6 开关断开状态

接下来的分析是以假设电流连续为前提的（这种工作状态称为连续工作模式），并通过忽略寄生电阻元件的电感和电容。

该电路可以当做两个线性电路来研究，一个对应于时间间隔 的接通状态，另一个对应于时间间隔的断开状态。它遵循着等式;而则表示为电路的占空比。

最终，每一种状态都可以用一套方程来描述（通过考虑积极的耗散功率来选择被动偶极子的电流和电压）。

在导通状态下的电路方程为：

令，通过方程7.10可得到处于断开状态下的对应方程.

在导通期间，电感电压是恒定不变的，等于，是正值，其电流线性增长，并流向负载。在关断期间，电感电压是，电流线性减少，但始终流向负载。电感的平均电流对应于负载电流。其有代表性的波形如图7.7，其中代表电流平均值。

考虑到，在稳定状态下，可得到电路的静态增益，认为：

在导通期间，通过整合，电感方程式如下：

图7.7 在一个开关周期内，处于连续工作模式下的时域波形：电感电流（顶部），电感电压（中间），开关状态（底部）

由公式7.12得到第一个积分是零，并且由7.13可得到下式 ：

最后，通过考虑所述第一和最后一个术语：

公式7.15表明，降压转换器的静态增益等于占空比。输出电压为

方程7.16包含的等式关系分别对应于D =0和D=1，但是在这种情况下，不发生切换操作。

假定一个无损耗电路，由电源提供的输入完全提供给负载，则电流增益为：

在连续工作模式下，当提供给负载的是直流分量时，通过电感的电流变化作为容量电荷的变化。参考图7.7，在一个周期内电荷的增加对应于三角形ABC，负载上的电压变化由下式给出：

在关断期间，方程7.18中的电流变化可以表述为：

将式7.19带入式7.18得到下式：

相对电压变化由下式给出：

其中：

当选择时，输出电压纹波可以达到最小化。 这取决于占空比，并且当时，输出电压纹波可得到最大值。

应该注意的是，上述分析是在输出电压低于输入电压和其纹波可以被视为一个二阶近似的假设前提下实现的。在分析结束的时候，这些假设都被验证了。采用开关转换器确实是一个特别的方法，虽然是非线性电路，但他们采用了一个独特的解决方案。

7.4.2非连续工作模式

在最后一节中，已经证明，在关断期间，电感电流线性减少，并且它的斜率取决于电感值。低电感值对应于低储能：在关断期间，当能量释放完毕时电流截止，并且从此时开始到整个周期结束，负载仅由电容供电。在这种情况下，非连续工作模式产生。

电感电流在连续和不连续模式之间的过渡如图7.8，这里代表电流平均值。

特别的是，图7.8a表示的是在连续工作模式下的电感电流：负载电流高，电感电流未达到零值。图7.8b示出了电感电流只是在一个周期结束时达到零值。为了得到较低的负载电流值，图7.8c的情况就出现了，其对应于非连续工作模式。

这种情况表明，在运行期间，降压变换器可以根据负载的变化改变其工作模式。高负载电阻可导致较低的平均负载电流，可导致不连续导通模式。

参考图7.8b阈值电流可以计算为：

图7.8 从连续到不连续工作模式的电流波形

从方程7.22可以得到在或者条件下的的两个表达式，分别为常数：

定义了阈值的电感值被定义为临界电感,它对应于负载电流。该值可以在忽略转换器中的电力损失的条件下计算。提供的电源为：

其中，所提供的电流被认为等于负载电流乘以占空比，负载电流等于平均电感电流。

负载功率由下式给出：

如前所述，降压转换器在连续和不连续工作模式下表现出不同的性能。在实际应用中，避免了连续和不连续（或反之亦然）的交叉，以保持稳定性。

输入电流总是很不连续的，它在一个很短的时间间隔内从零上升到最大值。由于很高，加之输入电路的寄生电感（包括电线、印刷电路板等），引起开关的电压尖峰。

最后，由于电感的存在使输出电容器的电流平滑存在，并且没有表现出较大的变化。

7.5升压转换器

直流/直流升压转换器得到的输出电压比输入电压高。在这样一个转换器中，虽然有着和降压转换器一样的元器件，但是有着不同的拓扑结构。电压发生器和电感相连，反过来，负极则通过电源开关连接到零电压基准值，并且通过一个二极管和并联的负载电阻和电感相连接。和降压转换器不同的是，升压转换器则是由电压源发生器不断提供电流，而且电流呈现较小的纹波。

升压转换器的电路如图7.14所示。

图7.14 升压转换器

7.5.1连续操作模式

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