电力电子技术 第八章——DC/DC变换器

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一、非隔离型DC-DC变换器

1、单电感变换器

（1）单电感变换器指的是源端和负端之间的电感数量为1的变换器。

（2）单电感变换器的实现方式有限，在简化冗余后，可得八种变换器：

①DC-DC降压变换器：

②DC-DC升压变换器：

③DC-DC反相降压升压变换器：

④DC-DC非反相降压升压变换器：

⑤DC-AC桥式变换器：

⑥DC-AC沃特金斯-约翰逊变换器：

⑦AC-DC电流馈电桥式变换器：

⑧AC-DC沃特金斯-约翰逊逆变器：

2、双电感变换器

（1）双电感变换器指的是源端和负端之间的电感数量为2的变换器。

（2）比较典型的双电感变换器有如下几种：

①Cuk电路：

②SEPCI电路：

③SEPCI的逆系统电路：

④Buck平方电路：

3、单开关变换器

（1）单开关变换器指的是源端和负端之间的有源开关数量为1的变换器。

（2）比较典型的单开关变换器有如下几种：

4、使用耦合电感模型简化变换器

二、常见隔离型DC-DC变换器

1、隔离型变换器的概念及分析方法

（1）变压器可以有多个负端绕组（也可以有多个源端绕组），如下图所示，负端的线圈匝数不同，相应地也会有不同的输出电压。

（2）将变压器的励磁电阻等效在源端，如下图所示，根据基尔霍夫电流定律，可以得出，它的分析和一个负端的变压器分析是类似的，稳态下励磁电阻遵循伏秒平衡原则。

（3）通过加塞变压器模型，可以将电路进行“分割”，这就引出了隔离型变换器的概念。

（4）“变压器复位”是通过励磁电感伏秒平衡来实现的机制，它能将变压器恢复到起始状态，主要用于防止励磁电感饱和，通过在每个开关周期结束时将变压器伏秒数（可认为是电感的剩余能量）重置为零实现。

2、正激变换器

（1）下图所示的是正激变换器的原理图，它是基于Buck电路的隔离型转换器，其工作的最大占空比有限值，在晶体管关闭时需重置变压器。

（2）从Buck电路演变到正激变换器：

①晶体管输出的电压为交流量，对此可在二极管前插入一个变压器。

②当电路处于稳态时，负端可等效为电压源，当源端不工作时，负端将产生一个流向源端的电流，对直流电流而言，电感视为短路，此时电流将通过变压器回灌源端，而源端没有负载，这部分功率无器件消耗，这是不被允许的，为了防止回灌，可在变压器输出侧增加一个整流二极管。

③晶体管开通时，门极电压需要高于源极电压，如果将其置于变压器“高侧”，那么开通晶体管的门极电压也会比较大，对此可以将晶体管置于变压器“低侧”，除了开通晶体管的门极电压降低以外，电路本身是不受影响的。

④为了防止变压器的励磁电感饱和，需要增加复位电路用于对变压器进行复位，如下图所示。

（3）正激变换器模型的分析：

        正激变换器的模型如下图所示，根据基尔霍夫电流定律，有（流入参考点的电流总和为0），要想分析这个模型，首要关注的是模型中的储能元件，也就是励磁电感和负端的电感

        先给出结论，一个开关周期内，励磁电感两端电压、励磁电感电流和二极管D3两端电压的波形如下图所示，励磁电感电流与二极管D1配合工作，处于断续模式，负端滤波电感与二极管D3配合工作，可能处于连续模式，也可能处于断续模式

（4）在设计正激变换器时，需要注意器件的能力阈值（实际上，设计任何变换器都应当注意），所以在进行模型分析时，应该求出每个器件可能承受的最大电压/电流，在进行器件选型和匝数比设计时，需要保证器件在模型中工作永远不会超过能力上限。

3、桥式隔离降压变换器

（1）全桥隔离降压变换器：

        下图所示的分别是全桥隔离降压变换器的原理图和等效模型图，它是基于Buck电路演变的全桥式隔离型转换器

        先给出结论，一个开关周期内，励磁电感电流、励磁电感两端电压、负端电感电流、负端输入电压和二极管D5电流（用负端电感电流表示）的波形如下图所示，其中开关周期为

（2）半桥隔离降压变换器：

        下图所示的是半桥隔离降压变换器的原理图，与全桥隔离降压变换器不同的是，这里使用两个电容替代了晶体管Q3和晶体管Q4

4、推挽隔离降压变换器

        下图所示的是推挽隔离降压变换器的原理图，它的工作原理和全桥隔离降压变换器十分类似，可以认为是全桥隔离降压变换器的改版，牺牲变压器的复杂度减少有源开关的使用

5、反激变换器

（1）下图所示的是反激变换器的原理图，它是基于Buck-Boost电路的隔离型转换器。

（2）从Buck-Boost电路演变到反激变换器：

①将Buck-Boost电路中的电感替换为1:1变压器，也可认为是在原来的基础上耦合一个相同的电感。

②分割耦合电感的输入侧和输出侧。

③变更晶体管的位置，同时改制变压器输出侧绕组，并做一个反相，对输出侧电路全部做一个相位上的翻转。

（3）反激变换器模型的分析：

        反激变换器的模型如下图所示

6、桥式隔离升压变换器

        下图所示的是全桥隔离升压变换器的原理图，它是基于Boost电路演变的全桥式隔离型转换器

        先给出结论，一个开关周期内，源端电感两端电压、输入电流、变压器输入侧电压和负端电流的波形如下图所示，其中开关周期为

7、推挽隔离升压变换器

        下图所示的是推挽隔离升压变换器的原理图，它的工作原理和全桥隔离升压变换器十分类似，可以认为是全桥隔离升压变换器的改版，牺牲变压器的复杂度减少有源开关的使用

8、构建隔离型变换器的方法案例

（1）以SEPIC变换器为例，介绍通过将电感元件替换为带励磁电感的变压器构建隔离型变换器。

①直接将电感元件替换为带励磁电感的变压器：

②调整晶体管和电感元件的位置，再将电感元件替换为带励磁电感的变压器：

（2）以Cuk变换器为例，介绍通过在电容元件中插入带励磁电感的变压器构建隔离型变换器。

        将一个电容串联拆分为两个电容，在它们之间并入一个带励磁电感的变压器：

（3）构建隔离型变换器时务必注意，插入变压器相当于在等效电路插入了励磁电感，必须要保证励磁电感在工作过程中不会饱和，也即满足伏秒平衡原则。