第3章直流变换电路第一讲

1、 项目三项目三 直流变换电路直流变换电路 3.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理 3.2 降压变换电路降压变换电路 3.3 升压变换电路升压变换电路 3.4 升降压变换电路升降压变换电路 3.5 库克变换电路库克变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器 3.7 直流变换电路的直流变换电路的PWMPWM控制技术控制技术 1、定义：定义： 利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电压利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电压 的大小，将直流电能转换为另一固定电压或可调电压的直流的大小，将直流电能转换为另一固定电压或可调电压的直流 电能的电路称为直流

2、变换电路。电能的电路称为直流变换电路。(开关型开关型DC/DC变换电路变换电路/ 斩波器斩波器)。 2、分类：、分类： 按稳压控制方式按稳压控制方式:脉冲宽度调制脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制、脉冲频率调制、 (PFM)直流变换电路。直流变换电路。 按变换器的功能按变换器的功能:降压变换电路降压变换电路(Buck)、升压变换电路、升压变换电路 (Boost)、升降压变换电路、升降压变换电路(Buck-Boost)、库克变换电、库克变换电 路路(Cuk)和全桥直流变换电路。和全桥直流变换电路。 3、隔离方式：、隔离方式： 在直流开关稳压电源中直流变换电路常常采用变压器实现在直流开关稳压电源

3、中直流变换电路常常采用变压器实现 电隔离，而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离。电隔离，而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离。 3.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理 3.2 降压变换电路降压变换电路 3.3 升压变换电路升压变换电路 3.4 升降压变换电路升降压变换电路 3.5 库克变换电路库克变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器 3.7 直流变换电路的直流变换电路的PWMPWM控制技术控制技术 项目三项目三 直流变换电路直流变换电路 3.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理 v 工作原理：工作原理：图中图中T是可控开关，是可控

4、开关，R为纯阻性负为纯阻性负 载。在时间载。在时间ton内当开关内当开关T接通时，电流经负载接通时，电流经负载 电阻电阻R流过，流过， R两端就有电压；在时间两端就有电压；在时间toff内开内开 关关T断开时，断开时， R中电流为零，电压也变为零。中电流为零，电压也变为零。 电路中开关的占空比电路中开关的占空比 TS为开关为开关T的工作周期，的工作周期，ton为导通时间。为导通时间。 由波形图可得到由波形图可得到输出电压平均值输出电压平均值为为 若认为开关若认为开关T无损耗，则无损耗，则输出功率输出功率为为 式（式（3.1.2）中）中Ud为输入直流电压。为输入直流电压。 输出电压平均值的改变：

5、输出电压平均值的改变：因为因为D是是01之间变化之间变化 的系数，因此在的系数，因此在D的变化范围内输出电压的变化范围内输出电压UO总是总是 小于输入电压小于输入电压Ud，改变，改变D值就可以改变其大小。值就可以改变其大小。 占空比的改变：占空比的改变：通过改变通过改变ton 或或TS来实现。来实现。 l图图3.1.1 基本的斩波器电路基本的斩波器电路 l 及其负载波形及其负载波形 S on T t D dd S on T dO DUU T t dtuU S 0 （3.1. 2） （3.1.1） （3.1.3） S DT d S R U Ddtiu T P 0 2 00 1 直流变换电路的常用

6、工作方式主要有两种：直流变换电路的常用工作方式主要有两种： 脉冲频率调制脉冲频率调制(PFM)工作方式：工作方式： 即维持不变，改变即维持不变，改变TS。在这种调压方式中，。在这种调压方式中， 由于输出电压波形的周期是变化的，因此输出谐由于输出电压波形的周期是变化的，因此输出谐 波的频率也是变化的，这使得滤波器的设计比较波的频率也是变化的，这使得滤波器的设计比较 困难，输出谐波干扰严重，一般很少采用。困难，输出谐波干扰严重，一般很少采用。 脉宽调制脉宽调制(PWM)工作方式：工作方式： 即维持即维持TS不变，改变。在这种调压方式中，不变，改变。在这种调压方式中， 输出电压波形的周期是不变的，因

7、此输出谐波的输出电压波形的周期是不变的，因此输出谐波的 频率也不变，这使得滤波器的设计容易。频率也不变，这使得滤波器的设计容易。 3.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理 项目三项目三 直流变换电路直流变换电路 3.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理 3.2 降压变换电路降压变换电路 3.3 升压变换电路升压变换电路 3.4 升降压变换电路升降压变换电路 3.5 库克变换电路库克变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器 3.7 直流变换电路的直流变换电路的PWMPWM控制技术控制技术 3.2 降压变换电路降压变换电路 原理图原理图 续流二极管

8、续流二极管 全控型电全控型电 力器件力器件 输入直输入直 流电压流电压 滤波电感滤波电感 滤波电容滤波电容 负载负载 3.2 降压变换电路降压变换电路 导通导通期间（期间（ton ）：）：电力开关器件电力开关器件 导通，电感蓄能，二极管导通，电感蓄能，二极管D D反偏。反偏。 等效电路如图等效电路如图3.2.1 (b)3.2.1 (b)所示所示 ； 关断期间（关断期间（t toff off）： ）：电力开关器电力开关器 件断开，电感释能，二极管件断开，电感释能，二极管D D导导 通续流。等效电路如通续流。等效电路如3.2.1(c)3.2.1(c)所所 示；示； 由波形图由波形图3.2.1(b)

9、可以计算出可以计算出输输 出电压的平均值出电压的平均值为：为： 图图3.2.1 降压电路及其波形图降压电路及其波形图 ( (3.2.3) ) dd O d O I D I U U I 1 )0( 1 )( 1 00 00 S on onS T t t d S T S dtdtu T dttu T U dd S on DUU T t 忽略器件功率损耗，即忽略器件功率损耗，即 输入输出电流关系输入输出电流关系为：为： v 电感中的电流电感中的电流i iL L是否连续，取决于开关频率、滤波电感是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容和电容C的数值。的数值。 3.2 降压变换电路降压变换电路 图图3

10、.2.2 电感电流波形图电感电流波形图 v Buck变换器的可能运行情况：变换器的可能运行情况： 电感电流连续模式电感电流连续模式 电感电流临界电感电流临界 连续状态连续状态 电感电流断流模式电感电流断流模式 3.2 降压变换电路降压变换电路 (3.2.4) dt di Lu L L on L on Od t I L t II LUU 12 Od L on UU LI t )( l1 1）电感电流）电感电流i iL L连续模式连续模式 ： 在在t ton on期间 期间: :电感上的电压为电感上的电压为 由于电感由于电感L L和电容和电容C C无损耗，因此无损耗，因此i iL L从从I I1

11、1线性增长至线性增长至I I2 2，上式，上式 可以写成可以写成 式中式中I IL L=I=I2 2I I1 1为电感上电流的变化量，为电感上电流的变化量，U UO O为输出电压的平均值。为输出电压的平均值。 3.2 降压变换电路降压变换电路 (3.2.5) (3.2.6) (3.2.7) (3.2.8) (3.2.9) off L O t I LU O L off U I Lt ） OdO dL offonS UUU LUI tt f T ( 1 fL DDU fLU UUU I d d OdO L )1 ()( 2 12 0 II I l1 1）电感电流）电感电流i iL L连续模式连续模

12、式 ： 在在t toff off期间 期间: :假设电感中的电流假设电感中的电流i iL L从从I I2 2线性下降到线性下降到I I1 1，则有，则有 l根据式根据式(3.2.4)(3.2.4)、(3.2.5)(3.2.5)可求出开关周期可求出开关周期S S为为 l 上式中上式中IL为流过电感电流的峰峰值，最大为为流过电感电流的峰峰值，最大为I2，最小为，最小为I1。电。电 感电流一周期内的平均值与负载电流感电流一周期内的平均值与负载电流IO相等，即将式相等，即将式(3.2.7)、(3.2.8)同同 时代入关系式时代入关系式IL= I2I1可得可得 )1 ( 2 01 DD L TU II

13、Sd 2 2）电感电流）电感电流iL临界连续状态：临界连续状态： 变换电路工作在临界连续状态时，即有变换电路工作在临界连续状态时，即有I1=0，由，由 可得维持电流临界连续的电感值可得维持电流临界连续的电感值L0为：为： 即电感电流临界连续时的负载电流平均值为即电感电流临界连续时的负载电流平均值为 ： 式中式中Iok为电感电流临界连续时的负载电流平均值。为电感电流临界连续时的负载电流平均值。 总结：总结：临界负载电流临界负载电流Iok与输入电压与输入电压Ud、电感、电感L、开关频率、开关频率f以及开关以及开关 管管T的占空比的占空比D都有关。都有关。 当实际负载电流当实际负载电流Io Iok时

14、，电感电流连续；时，电感电流连续； 当实际负载电流当实际负载电流Io = Iok时，电感电流处于连续（有断流临界点）时，电感电流处于连续（有断流临界点）; 当实际负载电流当实际负载电流Io Iok时，电感电流断流；时，电感电流断流； 3.2 降压变换电路降压变换电路 (3.2.10) (3.2.11) )1 ( 2 01 DD L TU II Sd )1 ( 2 0 DD I TU L K Sd o )1( 2 DD L TU I O Sd OK 3.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理 3.2 降压变换电路降压变换电路 3.3 升压变换电路升压变换电路 3.4 升降压变换电路升降

15、压变换电路 3.5 库克变换电路库克变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器 3.7 直流变换电路的直流变换电路的PWMPWM控制技术控制技术 项目三项目三 直流变换电路直流变换电路 3.3 升压变换电路升压变换电路 1) 1) 定义：定义：直流输出电压的平均值高于输入电压的直流输出电压的平均值高于输入电压的 变换电路称为升压变换电路，又叫变换电路称为升压变换电路，又叫Boost电路。电路。 全控型电力全控型电力 器件开关器件开关 储能储能 保持输出电压保持输出电压 2 2）原理图）原理图 3）工作原理：）工作原理： ton工作期间：工作期间：二极管反偏二极管反偏 截

16、止，电感截止，电感L L储能，电容储能，电容C C 给负载给负载R R提供能量。提供能量。 toff工作期间：工作期间：二极管二极管 导通，电感导通，电感L L经二极管给经二极管给 电容充电，并向负载电容充电，并向负载R RL L提提 供能量。供能量。 可得：可得： 式中占空比式中占空比D=tD=ton on/T /TS S，当，当D=0D=0时，时， U U0 0= =U Ud d，但，但D D不能为不能为1 1，因此在，因此在 0D0D1 1的变化范围内的变化范围内 U Uo oUUin in 3.3 升压变换电路升压变换电路 图图3.3.1 升压变换电路及其波形升压变换电路及其波形 D

17、U U t tt U d d off offon 1 0 4）Boost变换器的可能运行情况：变换器的可能运行情况： 根据在理想状态下，电路的输出功率等于输入功率，参根据在理想状态下，电路的输出功率等于输入功率，参 考降压变换电路的计算方法，可得考降压变换电路的计算方法，可得电感电流临界连续时的电感电流临界连续时的 负载电流平均值负载电流平均值为：为： 当实际负载电流当实际负载电流IoIok时，电感电流连续。时，电感电流连续。 当实际负载电流当实际负载电流Io = Iok时时,电感电流处于临界连续电感电流处于临界连续 (有断流临界点有断流临界点)。 当实际负载电流当实际负载电流IoIok时，电

18、感电流断流时，电感电流断流。 3.3 升压变换电路升压变换电路 d O S OK U L DT I 2 (2.3.11) T T导通时为电感导通时为电感L L 储能阶段，此时电储能阶段，此时电 源不向负载提供能源不向负载提供能 量，储于电容量，储于电容C C的能的能 量负载靠维待工作。量负载靠维待工作。 T T阻断时，电源和阻断时，电源和 电感共同向负载供电感共同向负载供 电，同时给电容电，同时给电容 C C 充电充电。 图图3.3.1 升压变换电路及其波形升压变换电路及其波形 3.3 升压变换电路升压变换电路 总结：电感电流连总结：电感电流连 续时续时BoostBoost变换器的变换器的 工

19、作分为两个阶段工作分为两个阶段: : 3.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理 3.2 降压变换电路降压变换电路 3.3 升压变换电路升压变换电路 3.4 升降压变换电路升降压变换电路 3.5 库克变换电路库克变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器 3.7 直流变换电路的直流变换电路的PWMPWM控制技术控制技术 项目三项目三 直流变换电路直流变换电路 3.4 升降压变换电路升降压变换电路 1) 概述：概述： 升降压变换电路（又称升降压变换电路（又称Buck-boost电路）的输出电电路）的输出电 压平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输压平均值

20、可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输 入电压极性相反，其电路原理图如图入电压极性相反，其电路原理图如图3.4.1(a)所示。所示。 它主要用于要求输出与输入电压反相，其值可大于它主要用于要求输出与输入电压反相，其值可大于 或小于输入电压的直流稳压电源。或小于输入电压的直流稳压电源。 l图图3.4.1升降压变换电路原理图升降压变换电路原理图 3.4 升降压变换电路升降压变换电路 2）工作原理：）工作原理： ton期间，二极管期间，二极管D反偏反偏 而关断，电感储能，滤波而关断，电感储能，滤波 电容电容C向负载提供能量。向负载提供能量。 l图图3.4.1 升降压变换电路及其工作波形升降压变换电

21、路及其工作波形 (3.4.4)(3.4.4) (3.4.1)(3.4.1) off L t I LU 0 on L on d t I L t II LU 12 toff期间，当感应电动期间，当感应电动 势大小超过输出电压势大小超过输出电压U U0 0时，时， 二极管二极管D D导通，电感经导通，电感经D D向向C C 和和R RL L反向放电，使输出电压反向放电，使输出电压 的极性与输入电压相反。的极性与输入电压相反。 3.4 升降压变换电路升降压变换电路 2）工作原理：（）工作原理：（续）续） 在在ton期间电感电流的增加量等于期间电感电流的增加量等于toff期间的减少量，期间的减少量， 得：得： offon d t L U t L U 0 Son DTt Soff TDt)1 ( d U D D U 1 0 (3.4.5) 由由 的关系，求出输出电压的平的关系，求出输出电压的平 均值为：均值为： 上式中，上式中，D为占空比，负号表示输出与输入电压反为占空比，负号表示输出与输入电压反 相；当相；当D=0.5时，时，U0=Ud；当；当0.5DUd，为升压变换；当，为升压变换；当0D0.5时，时，U0uc时，时，T1和和T4导导 通，通，