第3章直流變換電路第一講

1、 項目三項目三 直流變換電路直流變換電路 3.1 直流變換電路的工作原理直流變換電路的工作原理 3.2 降壓變換電路降壓變換電路 3.3 升壓變換電路升壓變換電路 3.4 升降壓變換電路升降壓變換電路 3.5 庫克變換電路庫克變換電路 3.6 帶隔離變壓器的直流變換器帶隔離變壓器的直流變換器 3.7 直流變換電路的直流變換電路的PWMPWM控制技術(shù)控制技術(shù) 1、定義：定義： 利用電力開關(guān)器件周期性的開通與關(guān)斷來改變輸出電壓利用電力開關(guān)器件周期性的開通與關(guān)斷來改變輸出電壓 的大小，將直流電能轉(zhuǎn)換為另一固定電壓或可調(diào)電壓的直流的大小，將直流電能轉(zhuǎn)換為另一固定電壓或可調(diào)電壓的直流 電能的電路稱為直流

2、變換電路。電能的電路稱為直流變換電路。(開關(guān)型開關(guān)型DC/DC變換電路變換電路/ 斬波器斬波器)。 2、分類：、分類： 按穩(wěn)壓控制方式按穩(wěn)壓控制方式:脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制(PWM)、脈沖頻率調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制、 (PFM)直流變換電路。直流變換電路。 按變換器的功能按變換器的功能:降壓變換電路降壓變換電路(Buck)、升壓變換電路、升壓變換電路 (Boost)、升降壓變換電路、升降壓變換電路(Buck-Boost)、庫克變換電、庫克變換電 路路(Cuk)和全橋直流變換電路。和全橋直流變換電路。 3、隔離方式：、隔離方式： 在直流開關(guān)穩(wěn)壓電源中直流變換電路常常采用變壓器實現(xiàn)在直流開關(guān)穩(wěn)壓電源

3、中直流變換電路常常采用變壓器實現(xiàn) 電隔離，而在直流電機的調(diào)速裝置中可不用變壓器隔離。電隔離，而在直流電機的調(diào)速裝置中可不用變壓器隔離。 3.1 直流變換電路的工作原理直流變換電路的工作原理 3.2 降壓變換電路降壓變換電路 3.3 升壓變換電路升壓變換電路 3.4 升降壓變換電路升降壓變換電路 3.5 庫克變換電路庫克變換電路 3.6 帶隔離變壓器的直流變換器帶隔離變壓器的直流變換器 3.7 直流變換電路的直流變換電路的PWMPWM控制技術(shù)控制技術(shù) 項目三項目三 直流變換電路直流變換電路 3.1 直流變換電路的工作原理直流變換電路的工作原理 v 工作原理：工作原理：圖中圖中T是可控開關(guān)，是可控

4、開關(guān)，R為純阻性負為純阻性負 載。在時間載。在時間ton內(nèi)當開關(guān)內(nèi)當開關(guān)T接通時，電流經(jīng)負載接通時，電流經(jīng)負載 電阻電阻R流過，流過， R兩端就有電壓；在時間兩端就有電壓；在時間toff內(nèi)開內(nèi)開 關(guān)關(guān)T斷開時，斷開時， R中電流為零，電壓也變?yōu)榱?。中電流為零，電壓也變?yōu)榱恪?電路中開關(guān)的占空比電路中開關(guān)的占空比 TS為開關(guān)為開關(guān)T的工作周期，的工作周期，ton為導通時間。為導通時間。 由波形圖可得到由波形圖可得到輸出電壓平均值輸出電壓平均值為為 若認為開關(guān)若認為開關(guān)T無損耗，則無損耗，則輸出功率輸出功率為為 式（式（3.1.2）中）中Ud為輸入直流電壓。為輸入直流電壓。 輸出電壓平均值的改變：

5、輸出電壓平均值的改變：因為因為D是是01之間變化之間變化 的系數(shù)，因此在的系數(shù)，因此在D的變化范圍內(nèi)輸出電壓的變化范圍內(nèi)輸出電壓UO總是總是 小于輸入電壓小于輸入電壓Ud，改變，改變D值就可以改變其大小。值就可以改變其大小。 占空比的改變：占空比的改變：通過改變通過改變ton 或或TS來實現(xiàn)。來實現(xiàn)。 l圖圖3.1.1 基本的斬波器電路基本的斬波器電路 l 及其負載波形及其負載波形 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 直流變換電路的常用

6、工作方式主要有兩種：直流變換電路的常用工作方式主要有兩種： 脈沖頻率調(diào)制脈沖頻率調(diào)制(PFM)工作方式：工作方式： 即維持不變，改變即維持不變，改變TS。在這種調(diào)壓方式中，。在這種調(diào)壓方式中， 由于輸出電壓波形的周期是變化的，因此輸出諧由于輸出電壓波形的周期是變化的，因此輸出諧 波的頻率也是變化的，這使得濾波器的設計比較波的頻率也是變化的，這使得濾波器的設計比較 困難，輸出諧波干擾嚴重，一般很少采用。困難，輸出諧波干擾嚴重，一般很少采用。 脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(PWM)工作方式：工作方式： 即維持即維持TS不變，改變。在這種調(diào)壓方式中，不變，改變。在這種調(diào)壓方式中， 輸出電壓波形的周期是不變的，因

7、此輸出諧波的輸出電壓波形的周期是不變的，因此輸出諧波的 頻率也不變，這使得濾波器的設計容易。頻率也不變，這使得濾波器的設計容易。 3.1 直流變換電路的工作原理直流變換電路的工作原理 項目三項目三 直流變換電路直流變換電路 3.1 直流變換電路的工作原理直流變換電路的工作原理 3.2 降壓變換電路降壓變換電路 3.3 升壓變換電路升壓變換電路 3.4 升降壓變換電路升降壓變換電路 3.5 庫克變換電路庫克變換電路 3.6 帶隔離變壓器的直流變換器帶隔離變壓器的直流變換器 3.7 直流變換電路的直流變換電路的PWMPWM控制技術(shù)控制技術(shù) 3.2 降壓變換電路降壓變換電路 原理圖原理圖 續(xù)流二極管

8、續(xù)流二極管 全控型電全控型電 力器件力器件 輸入直輸入直 流電壓流電壓 濾波電感濾波電感 濾波電容濾波電容 負載負載 3.2 降壓變換電路降壓變換電路 導通導通期間（期間（ton ）：）：電力開關(guān)器件電力開關(guān)器件 導通，電感蓄能，二極管導通，電感蓄能，二極管D D反偏。反偏。 等效電路如圖等效電路如圖3.2.1 (b)3.2.1 (b)所示所示 ； 關(guān)斷期間（關(guān)斷期間（t toff off）： ）：電力開關(guān)器電力開關(guān)器 件斷開，電感釋能，二極管件斷開，電感釋能，二極管D D導導 通續(xù)流。等效電路如通續(xù)流。等效電路如3.2.1(c)3.2.1(c)所所 示；示； 由波形圖由波形圖3.2.1(b)

9、可以計算出可以計算出輸輸 出電壓的平均值出電壓的平均值為：為： 圖圖3.2.1 降壓電路及其波形圖降壓電路及其波形圖 ( (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 忽略器件功率損耗，即忽略器件功率損耗，即 輸入輸出電流關(guān)系輸入輸出電流關(guān)系為：為： v 電感中的電流電感中的電流i iL L是否連續(xù)，取決于開關(guān)頻率、濾波電感是否連續(xù)，取決于開關(guān)頻率、濾波電感L和電容和電容C的數(shù)值。的數(shù)值。 3.2 降壓變換電路降壓變換電路 圖圖3

10、.2.2 電感電流波形圖電感電流波形圖 v Buck變換器的可能運行情況：變換器的可能運行情況： 電感電流連續(xù)模式電感電流連續(xù)模式 電感電流臨界電感電流臨界 連續(xù)狀態(tài)連續(xù)狀態(tài) 電感電流斷流模式電感電流斷流模式 3.2 降壓變換電路降壓變換電路 (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）電感電流）電感電流i iL L連續(xù)模式連續(xù)模式 ： 在在t ton on期間 期間: :電感上的電壓為電感上的電壓為 由于電感由于電感L L和電容和電容C C無損耗，因此無損耗，因此i iL L從從I I1

11、1線性增長至線性增長至I I2 2，上式，上式 可以寫成可以寫成 式中式中I IL L=I=I2 2I I1 1為電感上電流的變化量，為電感上電流的變化量，U UO O為輸出電壓的平均值。為輸出電壓的平均值。 3.2 降壓變換電路降壓變換電路 (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）電感電流）電感電流i iL L連續(xù)模式連續(xù)模

12、式 ： 在在t toff off期間 期間: :假設電感中的電流假設電感中的電流i iL L從從I I2 2線性下降到線性下降到I I1 1，則有，則有 l根據(jù)式根據(jù)式(3.2.4)(3.2.4)、(3.2.5)(3.2.5)可求出開關(guān)周期可求出開關(guān)周期S S為為 l 上式中上式中IL為流過電感電流的峰峰值，最大為為流過電感電流的峰峰值，最大為I2，最小為，最小為I1。電。電 感電流一周期內(nèi)的平均值與負載電流感電流一周期內(nèi)的平均值與負載電流IO相等，即將式相等，即將式(3.2.7)、(3.2.8)同同 時代入關(guān)系式時代入關(guān)系式IL= I2I1可得可得 )1 ( 2 01 DD L TU II

13、Sd 2 2）電感電流）電感電流iL臨界連續(xù)狀態(tài)：臨界連續(xù)狀態(tài)： 變換電路工作在臨界連續(xù)狀態(tài)時，即有變換電路工作在臨界連續(xù)狀態(tài)時，即有I1=0，由，由 可得維持電流臨界連續(xù)的電感值可得維持電流臨界連續(xù)的電感值L0為：為： 即電感電流臨界連續(xù)時的負載電流平均值為即電感電流臨界連續(xù)時的負載電流平均值為 ： 式中式中Iok為電感電流臨界連續(xù)時的負載電流平均值。為電感電流臨界連續(xù)時的負載電流平均值。 總結(jié)：總結(jié)：臨界負載電流臨界負載電流Iok與輸入電壓與輸入電壓Ud、電感、電感L、開關(guān)頻率、開關(guān)頻率f以及開關(guān)以及開關(guān) 管管T的占空比的占空比D都有關(guān)。都有關(guān)。 當實際負載電流當實際負載電流Io Iok時

14、，電感電流連續(xù)；時，電感電流連續(xù)； 當實際負載電流當實際負載電流Io = Iok時，電感電流處于連續(xù)（有斷流臨界點）時，電感電流處于連續(xù)（有斷流臨界點）; 當實際負載電流當實際負載電流Io Iok時，電感電流斷流；時，電感電流斷流； 3.2 降壓變換電路降壓變換電路 (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 直流變換電路的工作原理直流變換電路的工作原理 3.2 降壓變換電路降壓變換電路 3.3 升壓變換電路升壓變換電路 3.4 升降壓變換電路升降

15、壓變換電路 3.5 庫克變換電路庫克變換電路 3.6 帶隔離變壓器的直流變換器帶隔離變壓器的直流變換器 3.7 直流變換電路的直流變換電路的PWMPWM控制技術(shù)控制技術(shù) 項目三項目三 直流變換電路直流變換電路 3.3 升壓變換電路升壓變換電路 1) 1) 定義：定義：直流輸出電壓的平均值高于輸入電壓的直流輸出電壓的平均值高于輸入電壓的 變換電路稱為升壓變換電路，又叫變換電路稱為升壓變換電路，又叫Boost電路。電路。 全控型電力全控型電力 器件開關(guān)器件開關(guān) 儲能儲能 保持輸出電壓保持輸出電壓 2 2）原理圖）原理圖 3）工作原理：）工作原理： ton工作期間：工作期間：二極管反偏二極管反偏 截

16、止，電感截止，電感L L儲能，電容儲能，電容C C 給負載給負載R R提供能量。提供能量。 toff工作期間：工作期間：二極管二極管 導通，電感導通，電感L L經(jīng)二極管給經(jīng)二極管給 電容充電，并向負載電容充電，并向負載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，當，當D=0D=0時，時， U U0 0= =U Ud d，但，但D D不能為不能為1 1，因此在，因此在 0D0D1 1的變化范圍內(nèi)的變化范圍內(nèi) U Uo oUUin in 3.3 升壓變換電路升壓變換電路 圖圖3.3.1 升壓變換電路及其波形升壓變換電路及其波形 D

17、U U t tt U d d off offon 1 0 4）Boost變換器的可能運行情況：變換器的可能運行情況： 根據(jù)在理想狀態(tài)下，電路的輸出功率等于輸入功率，參根據(jù)在理想狀態(tài)下，電路的輸出功率等于輸入功率，參 考降壓變換電路的計算方法，可得考降壓變換電路的計算方法，可得電感電流臨界連續(xù)時的電感電流臨界連續(xù)時的 負載電流平均值負載電流平均值為：為： 當實際負載電流當實際負載電流IoIok時，電感電流連續(xù)。時，電感電流連續(xù)。 當實際負載電流當實際負載電流Io = Iok時時,電感電流處于臨界連續(xù)電感電流處于臨界連續(xù) (有斷流臨界點有斷流臨界點)。 當實際負載電流當實際負載電流IoIok時，電

18、感電流斷流時，電感電流斷流。 3.3 升壓變換電路升壓變換電路 d O S OK U L DT I 2 (2.3.11) T T導通時為電感導通時為電感L L 儲能階段，此時電儲能階段，此時電 源不向負載提供能源不向負載提供能 量，儲于電容量，儲于電容C C的能的能 量負載靠維待工作。量負載靠維待工作。 T T阻斷時，電源和阻斷時，電源和 電感共同向負載供電感共同向負載供 電，同時給電容電，同時給電容 C C 充電充電。 圖圖3.3.1 升壓變換電路及其波形升壓變換電路及其波形 3.3 升壓變換電路升壓變換電路 總結(jié)：電感電流連總結(jié)：電感電流連 續(xù)時續(xù)時BoostBoost變換器的變換器的 工

19、作分為兩個階段工作分為兩個階段: : 3.1 直流變換電路的工作原理直流變換電路的工作原理 3.2 降壓變換電路降壓變換電路 3.3 升壓變換電路升壓變換電路 3.4 升降壓變換電路升降壓變換電路 3.5 庫克變換電路庫克變換電路 3.6 帶隔離變壓器的直流變換器帶隔離變壓器的直流變換器 3.7 直流變換電路的直流變換電路的PWMPWM控制技術(shù)控制技術(shù) 項目三項目三 直流變換電路直流變換電路 3.4 升降壓變換電路升降壓變換電路 1) 概述：概述： 升降壓變換電路（又稱升降壓變換電路（又稱Buck-boost電路）的輸出電電路）的輸出電 壓平均值可以大于或小于輸入直流電壓，輸出電壓與輸壓平均值

20、可以大于或小于輸入直流電壓，輸出電壓與輸 入電壓極性相反，其電路原理圖如圖入電壓極性相反，其電路原理圖如圖3.4.1(a)所示。所示。 它主要用于要求輸出與輸入電壓反相，其值可大于它主要用于要求輸出與輸入電壓反相，其值可大于 或小于輸入電壓的直流穩(wěn)壓電源?；蛐∮谳斎腚妷旱闹绷鞣€(wěn)壓電源。 l圖圖3.4.1升降壓變換電路原理圖升降壓變換電路原理圖 3.4 升降壓變換電路升降壓變換電路 2）工作原理：）工作原理： ton期間，二極管期間，二極管D反偏反偏 而關(guān)斷，電感儲能，濾波而關(guān)斷，電感儲能，濾波 電容電容C向負載提供能量。向負載提供能量。 l圖圖3.4.1 升降壓變換電路及其工作波形升降壓變換電

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期間，當感應電動期間，當感應電動 勢大小超過輸出電壓勢大小超過輸出電壓U U0 0時，時， 二極管二極管D D導通，電感經(jīng)導通，電感經(jīng)D D向向C C 和和R RL L反向放電，使輸出電壓反向放電，使輸出電壓 的極性與輸入電壓相反。的極性與輸入電壓相反。 3.4 升降壓變換電路升降壓變換電路 2）工作原理：（）工作原理：（續(xù)）續(xù)） 在在ton期間電感電流的增加量等于期間電感電流的增加量等于toff期間的減少量，期間的減少量， 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 的關(guān)系，求出輸出電壓的平的關(guān)系，求出輸出電壓的平 均值為：均值為： 上式中，上式中，D為占空比，負號表示輸出與輸入電壓反為占空比，負號表示輸出與輸入電壓反 相；當相；當D=0.5時，時，U0=Ud；當；當0.5DUd，為升壓變換；當，為升壓變換；當0D0.5時，時，U0uc時，時，T1和和T4導導 通，通，