直流变换电路

1、关于直流变换电路第一页，共36页幻灯片 3.13.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理 3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路 3.3 3.3 升压变换电路升压变换电路 3.4 3.4 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器第第3 3章章 直流变换电路直流变换电路 第二页，共36页幻灯片3.1 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：图中工作原理：图中S是可控开关，是可控开关，R为纯阻为纯阻性负载。在时间性负载。在时间Ton内当开关内当开关S接通时，电接通时，电流经负载电阻流经负载电阻R流过，流过， R两端就有电压；两端就有电压；在时间在时间T

2、 off内开关内开关T断开时，断开时， R中电流为中电流为零，电压也变为零。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。图图3.1.1 基本的斩波器电路基本的斩波器电路及其负载波形及其负载波形 onStDT第三页，共36页幻灯片3.1 3.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理 由波形图可得到输出电压平均值为由波形图可得到输出电压平均值为 若认为开关若认为开关T无损耗，则输入功率为无损耗，则输入功率为 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：因为输出电压平均

3、值的改变：因为D是是01之间变之间变化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总是小于输入电压总是小于输入电压Ud，改变，改变D值就可以改变值就可以改变其大小。其大小。占空比的改变：通过改变占空比的改变：通过改变ton 或或TS来实现。来实现。 图图3.1.1 基本的斩波器电路基本的斩波器电路及其负载波形及其负载波形 0s1STonOdddStUu dtUDUTT201SDTdd dSUPu i dtDTR第四页，共36页幻灯片 直流变换电路的常用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)(PFM)工作方式：工

4、作方式： 即即维持维持T Tonon不变，改变不变，改变T TS S。在这种调压方式中，由于输。在这种调压方式中，由于输出电压波形的周期是变化的，因此输出谐波的频率也是变化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困难，输出谐波干扰严重，一的，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。般很少采用。 脉宽调制脉宽调制(PWM)(PWM)工作方式：工作方式： 即即维持维持T TS S不变，不变，T Tonon改变改变。在这种调压方式中，输出电压。在这种调压方式中，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，这使得滤波形的周期是不变的，

5、因此输出谐波的频率也不变，这使得滤波器的设计容易。波器的设计容易。3.1 3.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理第五页，共36页幻灯片周期性函数的傅立叶分析周期性函数的傅立叶分析 如果周期性时间函数如果周期性时间函数F(t)的变化周期为的变化周期为T, 频率为频率为f=1/T,一个周期一个周期T对应对应2 rad(360度度),那么那么F(t)=F(t+T)就是以周期为就是以周期为时间时间T表达的周期性时间函数表达的周期性时间函数,F(t)= F(t+2)则是相应的以则是相应的以周期为周期为2 rad(360度度),相位角相位角t的周期性相位角函数的周期性相位角函数. 周期性函数

6、可以分解为无限三角级数周期性函数可以分解为无限三角级数-傅立叶级数傅立叶级数:01()cos()sin()nnnFtaan tbn t第六页，共36页幻灯片周期性函数的傅立叶分析周期性函数的傅立叶分析 01()cos()sin()nnnFtaan tbn t 2200001112TaF t dtFt d tFt d tTT 20021cos()cos() ()TnaF tn t dtFtn t dtT 20021sin()sin() ()TnbF tn t dtFtn t dtT第七页，共36页幻灯片 3.13.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理 3.2 3.2 降压变换电路降压

7、变换电路 3.3 3.3 升压变换电路升压变换电路 3.4 3.4 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器第第3 3章章 直流变换电路直流变换电路 第八页，共36页幻灯片3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路续流二极管续流二极管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第九页，共36页幻灯片3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路 1.1.两种开关状态两种开关状态: : (1(1） T T导通导通,D,D截止期间截止期间, ,电源电电源电压通过压通过T T加到二极管和输出滤波电感加到二极管和输出滤波电感、输出滤波电容上输出滤波电容上, ,因此因此D D截止截止

8、. .由于输由于输出滤波电容电压保持不变出滤波电容电压保持不变, ,因此加在因此加在L L上的电压为上的电压为V VI I-V-V0 0, ,这个电压差使得滤这个电压差使得滤波电感电流线性增长波电感电流线性增长: :降压电路及其波形图降压电路及其波形图 t=ton,电感电流达到最大值电感电流达到最大值,其增量为其增量为: /LIOLdi dtLdidtVVsIOIOLonVVVViTDTLL一一. .电感电流电感电流连续连续状态状态: :第十页，共36页幻灯片当当t=Tt=Ts s 时时, ,减小到最小值减小到最小值. .期间减小量为期间减小量为: :3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路L

9、OdiLVdt （2 2）T T截止截止, ,续流二极管续流二极管D D导通续流的期间导通续流的期间, ,此时加在此时加在L L上的电压为上的电压为- -V V0 0, ,电流线性减小电流线性减小: : ()(1)OOLSonsVViTTD TLL第十一页，共36页幻灯片2.2.变压比变压比 由于导通时间内电感电流从最小值增大到最大值由于导通时间内电感电流从最小值增大到最大值, ,而。关断时而。关断时间内电感电流又从最大值减小到最小值间内电感电流又从最大值减小到最小值, ,因此有因此有: :3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路s(1)IOOLLVVViiD TDTLL可得到电流连续时降压变

10、换电路变压比为可得到电流连续时降压变换电路变压比为: OIVMDV 因此理想的因此理想的BUCK变换器在电感电流连续情况下变压比变换器在电感电流连续情况下变压比M只与占空比有关只与占空比有关,与负载电流大小无关与负载电流大小无关第十二页，共36页幻灯片v 3.3.输出纹波电压：输出纹波电压： 在在Buck电路中，如果滤波电容电路中，如果滤波电容C的容量足够大，则输出电压的容量足够大，则输出电压U0为常数。为常数。然而在电容然而在电容C为有限值的情况下，直流输出电压将会有纹波成份。为有限值的情况下，直流输出电压将会有纹波成份。电流连续时的输出电压纹波为电流连续时的输出电压纹波为 其中其中f为为b

11、uck电路的开关频率，电路的开关频率， fc为电路的截止频率。为电路的截止频率。 它表明通过选择合适的它表明通过选择合适的L、C值，当满足值，当满足fcf 时，可以限制输时，可以限制输出纹波电压的大小，而且纹波电压的大小与负载无关。出纹波电压的大小，而且纹波电压的大小与负载无关。3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路220200(1)(1)()82cUfQDDUCULCff12228sLLTiiQf第十三页，共36页幻灯片1. 三种开关状态三种开关状态 (1) T导通导通,D截止期间截止期间Ton,电感电流从零电感电流从零开始增加到开始增加到ILmax ，其增量其增量 :3.2 3.2 降压

12、变换电路降压变换电路sIOIOLonVVVViTDTLLl (2) T截止截止,续流二极管续流二极管D导通的期间导通的期间, 令令 电流从最大值开始下降到电流从最大值开始下降到0,电流下降量为电流下降量为: (3) (3) T T和和D D都截止都截止,I,IL L保持为保持为0, 0, 负载由滤波电容负载由滤波电容供电供电. . 1/1offSDTTD二二. .电感电流电感电流断续断续状态状态max1OOsLLoffVViTD TILL第十四页，共36页幻灯片3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路由于增量与下降量相同由于增量与下降量相同, ,于是有于是有: :s1IOOsVVVDTD TL

13、L 则可以得到电流断流时的则可以得到电流断流时的变压比变压比: 11OIVDMDVD 电流断流时的电压变压比电流断流时的电压变压比M大于导通占空比大于导通占空比D。物理上这是因为再电。物理上这是因为再电路断流后，续流二极管路断流后，续流二极管D又不导电，使又不导电，使VE0不再等于不再等于0而变为而变为V0，因而提高了，因而提高了输出直流电压平均值。输出直流电压平均值。 2.变压比变压比220/2sSDIDVLfM第十五页，共36页幻灯片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

14、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。 3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路max11(1)22SdLU TIIDL0(1)2SdoKU TLDI(1)(1)22SddOKsOOU TUIDDLL f三三. .电感电流电感电流iL临界连续临界连续状态：状态：第十六页，共36页幻灯片3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路总结：临界负载电流总结：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以及开关管以及开关管T的占空比的占空比D都

15、有关。都有关。 当实际负载电流当实际负载电流Io Iok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，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；三.电感电流iL临界连续临界连续状态：(1)(1)22SddOKsOOU TUIDDLL f第十七页，共36页幻灯片 3.13.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理 3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路 3.3 3.3 升压变换电路升压变换电路 3.4 3.4 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的

16、直流变换器第第3 3章章 直流变换电路直流变换电路 第十八页，共36页幻灯片3.3 直流直流升压变换器（直流直流升压变换器（Boost变换器变换器） 1) 定义：直流输出电压的平均值高于输入电压的变换电路称为定义：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）原理图第十九页，共36页幻灯片3.3 3.3 直流直流升压变换器（直流直流升压变换器（BoostBoost变换器变换器） Boost变换器变换器-利用电感线圈利用电感线圈L在其在其电流减小时所产生的反

17、电动势来得到高于电电流减小时所产生的反电动势来得到高于电源电压的直流电压源电压的直流电压. 一一.电感电流电感电流连续连续状态状态 1 . 两种开关状态两种开关状态: (1) T导通导通,D截止期间截止期间Ton, 电源电压电源电压加到升压电感上加到升压电感上,电感电流线性增长电感电流线性增长:LIdiLVdt当时当时, ,电感电流达到最到值电感电流达到最到值. .其增量为其增量为: : sIILonVViTD TLL第二十页，共36页幻灯片 (2) T截止截止.D导通导通.电感电流通过电感电流通过D向输出侧向输出侧流动流动,电源功率和电感的储能向负载和电容电源功率和电感的储能向负载和电容C转

18、移转移,给给C充电充电.此时加在此时加在L上的电压使得电感电流线性减上的电压使得电感电流线性减小小: 3.3 3.3 直流直流升压变换器（直流直流升压变换器（BoostBoost变换器变换器）/LIOLdidtVVl减小量为减小量为: s()(1)IOIOLsonVVVViTTD TLL2. 电流连续时电流连续时Boost变换器的变换器的变压比变压比 :111OIVMVD第二十一页，共36页幻灯片 二二. .电感电流电感电流断续断续状态状态 1. 1. 三种开关状态三种开关状态: : （1 1）T T导通导通,D,D截止期间截止期间TonTon, , 电电源电压加到升压电感上源电压加到升压电感

19、上, ,电感电流电感电流自自0 0开始线性增长到最大值开始线性增长到最大值: :3.3 直流直流升压变换器（直流直流升压变换器（Boost变换器变换器）LIdiLVdt 当当 时时,电感电流达到最到值电感电流达到最到值.其其增量为增量为: ost T D T smaxIILonLVViTDTILL第二十二页，共36页幻灯片 （2）T截止截止.D导通续流导通续流, 在期间在期间,电感电流自最大值减小到电感电流自最大值减小到0，其减，其减小量小量: 3.3 3.3 直流直流升压变换器（直流直流升压变换器（BoostBoost变换器变换器）1IOIOLoffsVVVViTDTLL（3） T阻断阻断,

20、D 截止截止,电感电流保持为电感电流保持为0. 2.2.升压比：升压比：由增量等于减小量得到升压比为由增量等于减小量得到升压比为: 11OIVDDMVD M M不仅与占空比不仅与占空比D D 有关，而且与电路电感、负载电流及开有关，而且与电路电感、负载电流及开关频率有关，为了保持输出电压恒定，即使在输入电压不变关频率有关，为了保持输出电压恒定，即使在输入电压不变时，也应随负载电流的不同来调节占空比时，也应随负载电流的不同来调节占空比D D。 第二十三页，共36页幻灯片 三三.电感电流电感电流iL临界连续临界连续状态：状态： 根据在理想状态下，电路的输出功率等于输入功率，参考根据在理想状态下，电

21、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，可得电感电流临界连续时的负降压变换电路的计算方法，可得电感电流临界连续时的负载电流平均值为：载电流平均值为： 当实际负载电流当实际负载电流IoIck时，电感电流连续。时，电感电流连续。M=1/(1-D) 当实际负载电流当实际负载电流Io = Ick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)。 M=1/(1-D) 当实际负载电流当实际负载电流IoIck时，电感电流断流。时，电感电流断流。 M1/(1-D) 3.3 3.3 直流直流升压变换器（直流直流升压变换器（BoostBoost变换器变换器）2(1)2OO

22、KVIDDLf第二十四页，共36页幻灯片 3.13.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理 3.2 3.2 降压变换电路降压变换电路 3.3 3.3 升压变换电路升压变换电路 3.4 3.4 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器 第第3 3章章 直流变换电路直流变换电路 第二十五页，共36页幻灯片3.4 3.4 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器 1）能使变换器的输入电源与负载之间实现电气隔）能使变换器的输入电源与负载之间实现电气隔离，提高变换器运行的安全可靠性和电磁兼容性。离，提高变换器运行的安全可靠性和电磁兼容性。 2）选择变压器的变比还可匹配电源电压）

23、选择变压器的变比还可匹配电源电压Ud与负载与负载所需的输出电压所需的输出电压Uo ，能使直流变换器的占空比能使直流变换器的占空比D数值数值适中而不至于接近于零或接近于适中而不至于接近于零或接近于l。 3）能设置多个二次绕组输出几个电压大小不同）能设置多个二次绕组输出几个电压大小不同的直流电压。的直流电压。 1 1、引入变压器作用：、引入变压器作用：第二十六页，共36页幻灯片 1）单端变换器：变换器只需一个开关管，变）单端变换器：变换器只需一个开关管，变换器中变压器的磁通只在单方向变化；换器中变压器的磁通只在单方向变化； 2）正激变换器：开关管导通时电源将能量直）正激变换器：开关管导通时电源将能

24、量直接传送至负载；接传送至负载； 3）反激变换器：开关管导通时电源将电能转）反激变换器：开关管导通时电源将电能转为磁能储存在电感中，当开关管阻断时再将磁能变为磁能储存在电感中，当开关管阻断时再将磁能变为电能传送到负载；为电能传送到负载；3.4 3.4 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器2、分类：、分类：第二十七页，共36页幻灯片3.4 3.4 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器l变换器的输出电压为：变换器的输出电压为：正激式变换器正激式变换器dODUNNU12第二十八页，共36页幻灯片在在T、D1导通，导通，D2、D3截止的截止的T0N=DTS期间，期间，N1磁通增

25、量为磁通增量为：11/SonSSVN TVNDT 在在Toff=（1-D）TS期间，期间，T阻断，磁通减小，三个感应电势反向，阻断，磁通减小，三个感应电势反向，D1截止，截止，D2导通，导通，D3导通，将变压器励磁电流对应的磁能回送给电导通，将变压器励磁电流对应的磁能回送给电源，源，i3减小，磁通减小。在此期间，如果电流并未衰减到减小，磁通减小。在此期间，如果电流并未衰减到0，则磁通的，则磁通的减少量为：减少量为：33/1/SoffSSV TNVD TN 第二十九页，共36页幻灯片如果磁通增量大于减少量，即如果磁通增量大于减少量，即113max/()DNNND这时铁心将很快饱和而不能工作。因此，实际运行中必须使：这时铁心将很快饱和而不能工作。因此，实际运行中必须使：113max/()DNNND只要在只要在T导通时间，电感电流不下降到导通时间，电感电流不下降到0，则在其关断期间，输出电压，则在其关断期间，输出电