直流变换电路

直流变换电路第一页，共35页。

3.1直流变换电路的工作原理3.2降压变换电路3.3升压变换电路3.4带隔离变压器的直流变换器第3章

直流变换电路

第二页，共35页。3.1直流变换电路的工作原理工作原理：图中S是可控开关，R为纯阻性负载。在时间Ton内当开关S接通时，电流经负载电阻R流过，R两端就有电压；在时间Toff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。图3.1.1基本的斩波器电路及其负载波形

第三页，共35页。3.1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

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0～1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。占空比的改变：通过改变ton或TS来实现。

图3.1.1基本的斩波器电路及其负载波形

第四页，共35页。直流变换电路的常用工作方式主要有两种：①脉冲频率调制(PFM)工作方式：即维持Ton不变，改变TS。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。②脉宽调制(PWM)工作方式：即维持TS不变，Ton改变。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，这使得滤波器的设计容易。3.1直流变换电路的工作原理第五页，共35页。周期性函数的傅立叶分析

如果周期性时间函数F(t)的变化周期为T,频率为f=1/T,一个周期T对应2πrad(360度),那么F(t)=F(t+T)就是以周期为时间T表达的周期性时间函数,F(ωt)=F(ωt+2π)则是相应的以周期为2πrad(360度),相位角ωt的周期性相位角函数.周期性函数可以分解为无限三角级数-傅立叶级数:第六页，共35页。周期性函数的傅立叶分析

第七页，共35页。

3.1直流变换电路的工作原理3.2降压变换电路3.3升压变换电路3.4带隔离变压器的直流变换器第3章

直流变换电路

第八页，共35页。3.2降压变换电路续流二极管全控型电力器件输入直流电压滤波电感滤波电容负载第九页，共35页。3.2降压变换电路

1.两种开关状态:

(1）

T导通,D截止期间,电源电压通过T加到二极管和输出滤波电感、输出滤波电容上,因此D截止.由于输出滤波电容电压保持不变,因此加在L上的电压为VI-V0,这个电压差使得滤波电感电流线性增长:降压电路及其波形图

t=ton,电感电流达到最大值,其增量为:一.电感电流连续状态:第十页，共35页。当t=Ts

时,减小到最小值.期间减小量为:3.2降压变换电路

（2）T截止,续流二极管D导通续流的期间,此时加在L上的电压为-V0,电流线性减小:

第十一页，共35页。2.变压比由于导通时间内电感电流从最小值增大到最大值,而。关断时间内电感电流又从最大值减小到最小值,因此有:3.2降压变换电路可得到电流连续时降压变换电路变压比为:因此理想的BUCK变换器在电感电流连续情况下变压比M只与占空比有关,与负载电流大小无关第十二页，共35页。3.输出纹波电压：

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为

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fc＜＜f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降压变换电路第十三页，共35页。1.三种开关状态(1)T导通,D截止期间Ton,电感电流从零开始增加到ILmax，其增量:3.2降压变换电路(2)T截止,续流二极管D导通的期间,令电流从最大值开始下降到0,电流下降量为:

(3)T和D都截止,IL保持为0,负载由滤波电容供电.

二.电感电流断续状态第十四页，共35页。3.2降压变换电路由于增量与下降量相同,于是有:

则可以得到电流断流时的变压比:电流断流时的电压变压比M大于导通占空比D。物理上这是因为再电路断流后，续流二极管D又不导电，使VE0不再等于0而变为V0，因而提高了输出直流电压平均值。

2.变压比第十五页，共35页。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：

式中Iok为电感电流临界连续时的负载电流平均值。

3.2降压变换电路三.电感电流iL临界连续状态：第十六页，共35页。3.2降压变换电路总结：临界负载电流Iok与输入电压Ud、电感L、开关频率f以及开关管T的占空比D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；三.电感电流iL临界连续状态：第十七页，共35页。

3.1直流变换电路的工作原理3.2降压变换电路3.3升压变换电路3.4带隔离变压器的直流变换器第3章

直流变换电路

第十八页，共35页。3.3直流－直流升压变换器（Boost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升压变换电路，又叫Boost电路。全控型电力器件开关储能保持输出电压2）原理图第十九页，共35页。3.3直流－直流升压变换器（Boost变换器）

Boost变换器-----利用电感线圈L在其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.一.电感电流连续状态

1.两种开关状态:

(1)T导通,D截止期间Ton,电源电压加到升压电感上,电感电流线性增长:当时,电感电流达到最到值.其增量为:

第二十页，共35页。

(2)T截止.D导通.电感电流通过D向输出侧流动,电源功率和电感的储能向负载和电容C转移,给C充电.此时加在L上的电压使得电感电流线性减小:3.3直流－直流升压变换器（Boost变换器）减小量为:2.电流连续时Boost变换器的变压比:第二十一页，共35页。二.电感电流断续状态

1.三种开关状态:

（1）T导通,D截止期间Ton,电源电压加到升压电感上,电感电流自0开始线性增长到最大值:

3.3直流－直流升压变换器（Boost变换器）当时,电感电流达到最到值.其增量为:

第二十二页，共35页。

（2）T截止.D导通续流,在期间,电感电流自最大值减小到0，其减小量:3.3直流－直流升压变换器（Boost变换器）（3）

T阻断,D截止,电感电流保持为0.

2.升压比：由增量等于减小量得到升压比为:

M不仅与占空比D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时，也应随负载电流的不同来调节占空比D。

第二十三页，共35页。三.电感电流iL临界连续状态：

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Io＞Ick时，电感电流连续。M=1/(1-D)当实际负载电流Io=Ick时,电感电流处于临界连续(有断流临界点)。M=1/(1-D)当实际负载电流Io＜Ick时，电感电流断流。M>1/(1-D)

3.3直流－直流升压变换器（Boost变换器）第二十四页，共35页。

3.1直流变换电路的工作原理3.2降压变换电路3.3升压变换电路

3.4带隔离变压器的直流变换器

第3章

直流变换电路

第二十五页，共35页。3.4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Ud与负载所需的输出电压Uo，能使直流变换器的占空比D数值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的直流电压。1、引入变压器作用：第二十六页，共35页。1）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；2）正激变换器：开关管导通时电源将能量直接传送至负载；3）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电能传送到负载；3.4带隔离变压器的直流变换器2、分类：第二十七页，共35页。3.4带隔离变压器的直流变换器变换器的输出电压为：正激式变换器第二十八页，共35页。在T、D1导通，D2、D3截止的T0N=DTS期间，N1磁通增量为：在Toff=（1-D）TS期间，T阻断，磁通减小，三个感应电势反向，D1截止，D2导通，D3导通，将变压器励磁电流对应的磁能回送给电源，i3减小，磁通减小。在此期间，如果电流并未衰减到0，则磁通的减少量为：第二十九页，共35页。如果磁通增量大于减少量，即这时铁心将很快饱和而不能工作。因此，实际运行中必须使：只要在T导通时间，电感电流不下降到0，则在其关断期间，输出电压UO=0,则变换器输出直流电压平均值为：变比为：一般取N1=N3。因此该电路的占空比D不能超过0.5。第三十页，共35页。3.4带隔离变压器的直流变换器反激式变换器图3.6.1反激式变换器电路与工作波形反激式变换器工作在输出电流连续的状态下，输出电压UO为：(3.6.1)第三十一页，共35页。在T导通的T0N=DTS期间，N1磁通增量为：在T阻断，D导通的Toff=（1-D）TS期间，则磁通的减少量为：则：第