DCDC電壓轉(zhuǎn)換電路原理研究

1、北京交通大學(xué)電路分析研究性實(shí)驗(yàn)論文題目：DC-DC電壓轉(zhuǎn)換電路原理班級(jí)：電子1102學(xué)號(hào)：姓名：合作者：指導(dǎo)老師：杜普選時(shí)間：2012/12/16前言：在各種電子設(shè)備中，經(jīng)常需要將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換到電路所需要的直流電壓，同時(shí)，將不穩(wěn)定的直流電壓變成穩(wěn)定的電壓，這種電路稱為DC-DC電源電路。電路通常用電子開(kāi)關(guān)器件和起儲(chǔ)能和平滑作用的電感和電容構(gòu)成。用動(dòng)態(tài)電路分析方法可以解釋這種電路的工作原理。本文旨在探究簡(jiǎn)單DC-DC電源電路的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法，加深筆者對(duì)課程相關(guān)內(nèi)容的理解以及提高實(shí)踐動(dòng)手能力。關(guān)鍵詞:DC-DC電源電路、降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器一、 實(shí)驗(yàn)原理圖1是降壓轉(zhuǎn)換器的原理電路，圖2是升

2、壓轉(zhuǎn)換器的原理電路。電路中兩個(gè)開(kāi)關(guān)周期交替閉合，由電壓Vsw控制（圖3）。在一個(gè)周期開(kāi)始的0- t1期間，s1閉合，s2斷開(kāi)如圖1(a)和圖2(a)；在t1-T期間，s1斷開(kāi)s2閉合, 如圖1(b)和圖2(b)。其中，Vin為輸入電壓，V0為輸出電壓。圖1 降壓轉(zhuǎn)換器圖2 升壓轉(zhuǎn)換器圖3 開(kāi)關(guān)動(dòng)作的控制電壓二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及理論分析（1）當(dāng)開(kāi)關(guān)周期動(dòng)作重復(fù)多次后，電路中電壓電流變成周期性波形。用動(dòng)態(tài)分析方法求出電感電流一個(gè)周期的波形。l 對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器0t1時(shí)刻有：KVL： Vin=VL(t)+VC(t) KAL： i(t)=CdVC(t)dt+VC(t) R且VL(t)=Ldi(t)dt綜上可

3、得：d2VC(t)dt2+1RCdVC(t)dt+VC(t)LC= VinLC代入數(shù)據(jù)，特征方程為：s2+200s+106=0解得：s1=-100+1000j s2=-100-1000j分析：顯然VC(t)變換頻率f=1000/2159Hz實(shí)驗(yàn)中開(kāi)關(guān)變換頻率取f=20kHz遠(yuǎn)大于VC(t)變換頻率。即在一個(gè)周期T內(nèi)，可視輸出電壓V0為常數(shù)。因此有Vin=VL(t)+V0，即VL(t)= Vin-V0。t1T時(shí)刻有：KVL： 0=VL(t)+VC(t) KAL： i(t)=CdVC(t)dt+VC(t) R且VL(t)=Ldi(t)dt同理分析可得此時(shí)VL(t)= -V0綜上所述，VL(t)為一

4、周期矩形脈沖。又由關(guān)系i(t)= 1L-tv()d 可知所求i(t)為一周期三角波波形，如下圖示意（2）求出兩個(gè)電路中輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系。圖3電壓波形中，脈沖寬度t1與周期T的比值d =t1/ T稱為脈沖波形的占空比。證明改變占空比d可以調(diào)整輸出電壓的高低。l 對(duì)于降壓轉(zhuǎn)化器設(shè)i(0)= I0 0 t1：i(t)=1L-tv()d+I0=1LOt（Vin-V0）dt+I0=Vin-V0Lt+I0故有i(t1)= Vin-V0Lt1+I0t1T： i(t)=1Lt1t(-V0)dt+ i(t1)=-V0L(t-t1)+ Vin-V0Lt1+I0又因?yàn)閕(0) =i(T)即i(T)= -V0

5、L(T-t1)+ Vin-V0Lt1+I0= i(0)= I0最后可以推出：V0=t1TVin=dVin分析理解：由于0<d<1,故V0<Vin,即轉(zhuǎn)換器具有直流降壓作用且輸出電壓與占空比d有關(guān)。l 對(duì)于升壓轉(zhuǎn)化器0t1時(shí)刻有：KVL：VL(t)= Vint1T時(shí)刻有：KVL： Vin=VL(t)+VC(t) KAL： i(t)=CdVC(t)dt+VC(t) R且VL(t)=Ldi(t)dt同理于降壓轉(zhuǎn)化器，在升壓轉(zhuǎn)化器電路中，分析可知，在一個(gè)周期T內(nèi)，也可視輸出電壓V0為常數(shù)。故此時(shí)VL(t)= Vin-V0。因此，同理分析可知，電感電壓電流波形定性類比于降壓轉(zhuǎn)化器。設(shè)i

6、(0)= I0 0t1：i(t)=1L0t(-V0)dt+ I0 =-V0Lt +I0故有i(t1)= -V0Lt1+I0t1T: i(t)=1Lt1tv()d+i(t1)=1Lt1t（Vin-V0）dt+i(t1)=Vin-V0L(t-t1)+-V0Lt1+I0又因?yàn)閕(0) =i(T)即i(T)=Vin-V0L(T-t1)+-V0Lt1+I0= i(0)= I0同理升壓轉(zhuǎn)換電路中有輸入電壓、輸出電壓、占空比之間的關(guān)系為：V0=11-t1/TVin=Vin1-d分析理解：由于0<d<1,故V0>Vin,即轉(zhuǎn)換器具有直流升壓作用且輸出電壓與占空比d有關(guān)。三、 實(shí)驗(yàn)仿真仿真工具

7、：Multisim10.0l 降壓轉(zhuǎn)化器電路圖波形圖l 升壓轉(zhuǎn)換器電路圖波形圖四、 擴(kuò)展探究將電路中的開(kāi)關(guān)s2用二極管代替，在圖6-1中，正極在下方；在圖6-2中，正極在左側(cè)。假設(shè)二極管加正向電壓時(shí)導(dǎo)通，電阻為0；加反向電壓時(shí)斷開(kāi)，電阻無(wú)窮大。電路原理圖如下;分析：開(kāi)關(guān)s2用二極管代替后， 若采用理想二極管，其導(dǎo)通電阻近似為零，斷開(kāi)電阻接近無(wú)窮大，其作用與S2開(kāi)關(guān)相同。因此，理論分析的過(guò)程與上面給出的類似。仿真：l 降壓電路波形l 升壓電路波形五、 實(shí)踐收獲本次研究性課題的研討與制作我收獲巨大。首先就課內(nèi)專業(yè)知識(shí)而言，為了此次研討，我重新對(duì)動(dòng)態(tài)電路及其分析做了一次復(fù)習(xí)，對(duì)含動(dòng)態(tài)元件的動(dòng)態(tài)電路分析又有了進(jìn)一步的理解與提高。其次，在自主學(xué)習(xí)方面，由于本研討需要用到仿真軟件，因此我在結(jié)合課內(nèi)所介紹的EWB的基礎(chǔ)之上，自學(xué)了更高版本的Multisim10.0，通過(guò)與合作伙伴的研究，基本掌握了運(yùn)用此軟件進(jìn)行電路仿真的方法，在熟悉軟件操作界面及方法的前提下，通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，我重點(diǎn)掌握了壓控開(kāi)關(guān)的使用以及運(yùn)用電流控制電壓測(cè)電流波形、電壓控制電壓測(cè)電壓波形等