第三章直流交变电路

1、重点和难点 各种直流变换电路的工作原理和它们的区别。 掌握判断升压和降压斩波电路的方法。 直流变换电路的PWM控制技术的基本原理。 第第3章章 直流变换电路直流变换电路 基本介绍 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 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路 3.7 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器 3.8 复合斩波电路和多相多重斩波电路复合斩波电路和多相多重斩波电路 3.9 直流变换电路的直流变换电路

2、的PWM控制技术控制技术第第3章章 直流变换电路直流变换电路 第第3章章 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图中T是可控开关，R为纯阻性负载。在时间内当开关T接通时，电流经负载电阻R流过， R两端就有电压；在时间内开关T断开时， R中电流为零，电压也变为零。 电路中开关的占空比 TS为开关T的工作周期，ton为导通时间。 由波形图可得到输出电压平均值为 若认为开关T无损耗，则输入功率为 式（3.1.2）中Ud为输入直流电压。输出电压平均值的改变：因为D是01之间变化的系数，因此在D的变化范围内输出电压UO总是小于输入电压Ud，改变D值就可以改变其大小

3、。占空比的改变：通过改变ton 或TS来实现。 图图3.1.1 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 SonTtD ddSonTdODUUTtdtuUS 0（3.1. 2）（3.1.1）（3.1.3） SDTdSRUDdtiuTP02001 导通时间ton 导通时间ton导通时间ton3.1 直流变换电路的工作原理直流变换电路的工作原理 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 Sepic斩波电路和斩波

4、电路和Zeta斩波电路斩波电路 3.7 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器 3.8 复合斩波电路和多相多重斩波电路复合斩波电路和多相多重斩波电路 3.9 直流变换电路的直流变换电路的PWM控制技术控制技术 第第3章章 直流变换电路直流变换电路 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3.2 降压变换电路降压变换电路3.2 降压变换电路降压变换电路 导通导通期间（期间（ton ）：）：电力开关器件导通，电感蓄能，二极管D反偏。 等效电路如图3.2.1 (b)所示 ； 关断期间（关断期间（tofftoff）

5、：）：电力开关器件断开，电感释能，二极管D导通续流。等效电路如3.2.1(c)所示； 由波形图3.2.1(b)可以计算出输输出电压的平均值出电压的平均值为：图图3.2.1 3.2.1 降压电路及其波形图降压电路及其波形图( (3.2.3) )ddOdOIDIUUI1 )0(1)(10000 SononSTttdSTSdtdtuTdttuTUddSonDUUTt 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：v 电感中的电流iL是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。3.2 降压变换电路降压变换电路图3.2.2 电感电流波形图电感电流连续模式电感电流连续模式电感电流临界电

6、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) dtdiLuLL onLonOdtILtIILUU 12OdLonUULIt )(i iL L ：在在t tonon期间期间: :电感上的电压为 由于电感L和电容C无损耗，因此iL从I1线性增长至I2，上式可以写成式中IL=I2I1为电感上电流的变化量，UO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) offLOtILU OLoffUILt ）OdOdLoffonSUUULUIttfT (1fLDDU

7、fLUUUUIddOdOL)1 ()( 2120III )1 (201DDLTUIISd i iL L在在t toff off 期间期间: :假设电感中的电流iL从I2线性下降到I1，则有根据式(3.2.4)、(3.2.5)可求出开关周期S为 上式中IL为流过电感电流的峰峰值，最大为I2，最小为I1。电感电流一周期内的平均值与负载电流IO相等，即将式(3.2.7)、(3.2.8)同时代入关系式IL= I2I1可得 变换电路工作在临界连续状态时，即有I1=0，由 可得维持电流临界连续的电感值L0为： 即电感电流临界连续时的负载电流平均值为 ： 总结总结：临界负载电流临界负载电流Iok与输入电压与

8、输入电压Ud、电感、电感L、开关频率、开关频率f以及开以及开关管关管T的占空比的占空比D都有关。都有关。 当实际负载电流Io Iok时，电感电流连续； 当实际负载电流Io = Iok时，电感电流处于连续（有断流临界点）; 当实际负载电流Io Iok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 (201DDLTUIISd )1 (20DDITULKSdo )1(2DDLTUIOSdOK 在Buck电路中，如果滤波电容C的容量足够大，则输出电压U0为常数。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。 电流连续时的输出电压纹波电流连续时的输出电压

9、纹波为q 其中f为buck电路的开关频率， fc为电路的截止频率。 它表明通过选择合适的L、C值，当满足fcf 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。3.2 降压变换电路降压变换电路22200)(1 (28)1 (ffDLCfDUUc （3.2.14） 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 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路 3.7 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.

10、8 复合斩波电路和多相多重斩波电路复合斩波电路和多相多重斩波电路 3.9 直流变换电路的直流变换电路的PWM控制技术控制技术第第3章章 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变换电路称为升压变换电路，又叫Boost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）原理图例）原理图例1 1 3.3 升压变换电路升压变换电路 原理图例原理图例2 2 3 3）工作原理：）工作原理： Ton 工作期间：工作期间：二极管反偏 截止，电感L储能，电容C 给负载R提供能量。 Toff 工作期间：工

11、作期间：二极管 导通，电感L经二极管给 电容充电，并向负载RL提 供能量。 可得： 式中占空比D=ton/TS，当D=0时，U0=Ud，但D不能为1，因此在 0D1的变化范围内 UoUin 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DUUtttUddoffoffon 104 4）BuckBuck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载电流平均值为： 当实际负载电流IoIck时，电感电流连续。 当实际负载电流Io = Ick时,电感电流处于临界

12、连续 (有断流临界点)。 当实际负载电流IoIck时，电感电流断流。 3.3 升压变换电路升压变换电路dOSOKULDTI2 (2.3.11) T导通时为电感L储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠储于电容C的能量维待工作。 T阻断时，电源和电感共同向负载供电，同时给电容 C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：总结：电感电流连电感电流连续时续时BoostBoost变换器的变换器的工作分为两个阶段工作分为两个阶段: : 没有电压闭环调节的Boost变换器不宜在输出端开路情况下工作：因为稳态运行时，开关管T导通期间 ( )电

13、源输入到电感L中的磁能，在T截止期间通过二极管D转移到输出端，如果负载电流很小，就会出现电流断流情况。如果负载电阻变得很大，负载电流太小，这时若占空比D仍不减小、ton不变、电源输入到电感的磁能必使输出电压不断增加。3.3 升压变换电路升压变换电路SonDTt 总总 结：结： Boost电路对电源的输人电流（也即通过二极管D的电流）就是升压电感L电流，电流平均值为：I0=(I2-I1)/2。 实际中，选择电感电流的增量IL时，应使电感的峰值电流Id+IL不大于最大平均直流输入电流Id的20%，以防止电感L饱和失效。 Boost变换器的效率很高，一般可达92%以上。 3.1 直流变换电路的工作原

14、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 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路 3.7 带隔离变压器的直流变换器带隔离变压器的直流变换器 3.8 复合斩波电路和多相多重斩波电路复合斩波电路和多相多重斩波电路 3.9 直流变换电路的直流变换电路的PWM控制技术控制技术 第第3章章 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) 1) 概述：概述： 升降压变换电路（又称Buck-boost电路）的输出电压平均值可以大于或小于输入

15、直流电压，输出电压与输入电压极性相反，其电路原理图参见图例1和图例2 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。升降压变换电路原理图例升降压变换电路原理图例13.4 升降压变换电路升降压变换电路 图例图例23.4 升降压变换电路升降压变换电路 初步分析：初步分析： 3.4 升降压变换电路升降压变换电路 2 2）工作原理：）工作原理： ton期间，二极管D反偏而关断，电感储能，滤波电容C向负载提供能量。 toff期间，当感应电动势大小超过输出电压U0时，二极管D导通，电感经D向C和RL反向放电，使输出电压的极性与输入电压相反。 图图3.4.1 升降压变换电路及其工

16、作波形升降压变换电路及其工作波形(3.4.4)(3.4.4)(3.4.1)(3.4.1)offLtILU 0onLondtILtIILU12 3.4 升降压变换电路升降压变换电路 2 2）工作原理：（）工作原理：（续）续）在ton期间电感电流的增加量等于toff期间的减少量，得： 由 , 的关系，求出输出电压的平均值为： 上式中，D为占空比，负号表示输出与输入电压反相；当D=0.5时，U0=Ud；当0.5DUd，为升压变换；当0D0.5时，U0uc时，T1和T4导通，T2和T3关断；2)当uruc时，开关T1、T4关断，T2、T3导通 。 图图3.6.5 全桥变换电路全桥变换电路 图图3.7.

17、2 双极性电压双极性电压PWM控制方式控制方式 1 1 、双极性电压开关、双极性电压开关PWMPWM控制方式控制方式输出电压的平均值为：输出电压的平均值为：变换电路的输出电压可在-Ud到+Ud之间变化:1） 时，U0=0；2） 时，U00；ddsondsonsdsonUDUTtUTtTUTtU) 12 () 12 (102sonTt2sonTt2sonTt3.9 直流变换电路的直流变换电路的PWM控制技术控制技术 1）在理想条件下，U0的大小和极性只受占空比D1的控制，而与输出电流i0无关。 2）在这种控制方式中，输出电压的平均值U0随控制信号ur线性变化。 3）这种电路平均输出电流I0可正可负。在I00时，直流电源Ud向负载U0端传送能