第四章直流變換電路

1、 第第3章章 直流變換電路直流變換電路引言引言 v1、定義：定義：v 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?cái)夭ㄆ鞑ㄆ?。v2、分類：、分類：v 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。v 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(

2、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)、庫克變換電路、庫克變換電路(Cuk)和全橋直流變換電路。和全橋直流變換電路。 v3、隔離方式：、隔離方式：v 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(shí)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(shí)現(xiàn)電隔離，而在直流電機(jī)的調(diào)速裝置中可不用變壓器隔離?，F(xiàn)電隔離，而在直流電機(jī)的調(diào)速裝置中可不用變壓器隔離。v 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 3.2 降壓變換電路降壓變換電路v 3.3 升壓變換電路升壓變換電路v 3.4 升降壓變換電路升降壓變換電路 v 3.5

3、 庫克變換電路庫克變換電路 v 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v 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) 第第3章章 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)，是可控開關(guān)，R為純阻性負(fù)載。為純阻性負(fù)載。在時(shí)間內(nèi)當(dāng)開關(guān)在時(shí)間內(nèi)當(dāng)開關(guān)T接通時(shí)，電流經(jīng)負(fù)載電阻接通時(shí)，電流經(jīng)負(fù)載電阻R流過，流過， R兩端就有電壓；在時(shí)間內(nèi)開關(guān)兩端就有電壓；在時(shí)間內(nèi)開關(guān)T斷開時(shí)，斷開時(shí)， R中電流中電流為零，電壓也變?yōu)榱?。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vTS為開

4、關(guān)為開關(guān)T的工作周期，的工作周期，ton為導(dǎo)通時(shí)間。為導(dǎo)通時(shí)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v 若認(rèn)為開關(guān)若認(rèn)為開關(guān)T無損耗，則無損耗，則輸入功率輸入功率為為 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：輸出電壓平均值的改變：因?yàn)橐驗(yàn)镈是是01之間變化的系數(shù)，之間變化的系數(shù)，因此在因此在D的變化范圍內(nèi)輸出電壓的變化范圍內(nèi)輸出電壓UO總是小于輸入電壓總是小于輸入電壓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(shí)現(xiàn)。來實(shí)現(xiàn)。 l圖圖3.1.1 基本的斬

5、波器電路基本的斬波器電路l 及其負(fù)載波形及其負(fù)載波形 SonTtD ddSonTdODUUTtdtuUS 0（3.1. 2）（3.1.1）（3.1.3） SDTdSRUDdtiuTP02001v直流變換電路的常用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：v 脈沖頻率調(diào)制脈沖頻率調(diào)制(PFM)工作方式：工作方式：v 即維持不變即維持不變ton，改變，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(shè)計(jì)比較波的頻率也是變化的，這使得濾波器的設(shè)計(jì)比較困難，輸出諧波干擾

6、嚴(yán)重，一般很少采用。困難，輸出諧波干擾嚴(yán)重，一般很少采用。 v 脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(PWM)工作方式：工作方式：v 即維持即維持TS不變，改變不變，改變ton。在這種調(diào)壓方式中，。在這種調(diào)壓方式中，輸出電壓波形的周期是不變的，因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(shè)計(jì)容易。頻率也不變，這使得濾波器的設(shè)計(jì)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v 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 3.2 降壓變換電路降壓變換電路v 3.3 升壓變換電路升壓變換電路v 3.4 升降壓變換電路升降壓變換電路 v 3.5 庫克變換電路庫

7、克變換電路 v 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v 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) 第第3章章 直流變換電路直流變換電路 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(fù)載負(fù)載3.2 降壓變換電路降壓變換電路導(dǎo)通導(dǎo)通期間（期間（ton ）：）：電力開關(guān)器件電力開關(guān)器件導(dǎo)通，電感蓄能，二極管導(dǎo)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 toffo

8、ff）：）：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(dǎo)導(dǎo)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；動(dòng)畫演示由波形圖由波形圖3.2.1(b)可以計(jì)算出可以計(jì)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) )ddOdOIDIUUI1 )0(1)(10000 SononSTttdSTSdtdtuTdttuTUddSonDUUTt 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

9、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3.2.2 電感電流波形圖電感電流波形圖v Buck變換器的可能運(yùn)行情況：變換器的可能運(yùn)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) dtdiLuLL onLonOdtILtIILUU 12OdLonUULIt )(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 tonon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

10、電容和電容C C無損耗，因此無損耗，因此i iL L從從I I1 1線性增長(zhǎng)至線性增長(zhǎng)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) offLOtILU OLoffUILt ）OdOdLoffonSUUULUIttfT (1fLDDUfLUUUUIddOdOL)1 ()( 2120III )1 (201DDLTUIISd l1 1）電感電流）電感電

11、流i iL L連續(xù)模式連續(xù)模式 ：在在t toffoff期間期間: :假設(shè)電感中的電流假設(shè)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(wèi)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(fù)載電流感電流一周期內(nèi)的平均值與負(fù)載電流IO相等，即將式相等，即將式(3.2.7)、(3.2.8)同同時(shí)代入關(guān)系式時(shí)代入關(guān)系式IL= I2I1可得可得v2 2）電感電流）電感電流i

12、L臨界連續(xù)狀態(tài)：臨界連續(xù)狀態(tài)：v變換電路工作在臨界連續(xù)狀態(tài)時(shí)，即有變換電路工作在臨界連續(xù)狀態(tài)時(shí)，即有I1=0，由，由v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(shí)的負(fù)載電流平均值為即電感電流臨界連續(xù)時(shí)的負(fù)載電流平均值為 ： 式中式中Iok為電感電流臨界連續(xù)時(shí)的負(fù)載電流平均值。為電感電流臨界連續(xù)時(shí)的負(fù)載電流平均值。 總結(jié)：總結(jié)：臨界負(fù)載電流臨界負(fù)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(dāng)實(shí)際負(fù)載電流當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流Io Iok時(shí)，電感電流連續(xù)；時(shí)，電感電流連續(xù)；

13、當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流Io = Iok時(shí)，電感電流處于連續(xù)（有斷流臨界點(diǎn)）時(shí)，電感電流處于連續(xù)（有斷流臨界點(diǎn)）; 當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流Io Iok時(shí)，電感電流斷流；時(shí)，電感電流斷流；3.2 降壓變換電路降壓變換電路l(3.2.10)(3.2.11)1 (201DDLTUIISd )1 (20DDITULKSdo )1(2DDLTUIOSdOK v 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 3.2 降壓變換電路降壓變換電路v 3.3 升壓變換電路升壓變換電路v 3.4 升降壓變換電路升降壓變換電路 v 3.5 庫克變換電路庫克變換電路 v 3.6 帶隔離變壓器的直流變

14、換器帶隔離變壓器的直流變換器v 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) 第第3章章 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v1) 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(chǔ)能儲(chǔ)能保持輸出電壓保持輸出電壓2 2）原理圖）原理圖v3）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 截止，電感截止，電感L L儲(chǔ)能，電容儲(chǔ)能，電容C C 給負(fù)載給負(fù)載R R提供能量。提供能量

15、。toff工作期間：工作期間：二極管二極管 導(dǎo)通，電感導(dǎo)通，電感L L經(jīng)二極管給經(jīng)二極管給 電容充電，并向負(fù)載電容充電，并向負(fù)載R RL L提提 供能量。供能量。動(dòng)態(tài)演示v可得可得( (根據(jù)電感電流在一個(gè)周期內(nèi)根據(jù)電感電流在一個(gè)周期內(nèi)電壓平均值為電壓平均值為0)0)v v式中占空比式中占空比D=tD=tonon/T/TS S，當(dāng)，當(dāng)D=0D=0時(shí)，時(shí)，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 oUUinin 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DUUtttUd

16、doffoffon 10v4）升壓）升壓變換器的可能運(yùn)行情況：變換器的可能運(yùn)行情況：v 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(jì)算方法，可得考降壓變換電路的計(jì)算方法，可得電感電流臨界連續(xù)時(shí)的電感電流臨界連續(xù)時(shí)的負(fù)載電流平均值負(fù)載電流平均值為：為： 當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流IoIck時(shí)，電感電流連續(xù)。時(shí)，電感電流連續(xù)。 當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流Io = Ick時(shí)時(shí),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(diǎn)有斷流臨界點(diǎn))。 當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流IoIck時(shí)，電感電流斷流時(shí)，電感電流斷流。 3.3

17、 升壓變換電路升壓變換電路dOSOKULDTI2 (2.3.11) T T導(dǎo)通時(shí)為電感導(dǎo)通時(shí)為電感L L儲(chǔ)能階段，此時(shí)電儲(chǔ)能階段，此時(shí)電源不向負(fù)載提供能源不向負(fù)載提供能量，負(fù)載靠?jī)?chǔ)于電量，負(fù)載靠?jī)?chǔ)于電容容C C的能量維待工作。的能量維待工作。 T T阻斷時(shí)，電源和阻斷時(shí)，電源和電感共同向負(fù)載供電感共同向負(fù)載供電，同時(shí)給電容電，同時(shí)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(shí)續(xù)時(shí)BoostBoost變換器的變換器的工作分為兩個(gè)階段工作分為兩個(gè)階段: : 沒有電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)的沒有電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)

18、的Boost變換器不宜在輸出端開路情變換器不宜在輸出端開路情況下工作：因?yàn)榉€(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，開關(guān)管況下工作：因?yàn)榉€(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，開關(guān)管T導(dǎo)通期間導(dǎo)通期間 ( )電電源輸入到電感源輸入到電感L中的磁能，在中的磁能，在T截止期間通過二極管截止期間通過二極管D轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移到輸出端，如果負(fù)載電流很小，就會(huì)出現(xiàn)電流斷流情況。如果輸出端，如果負(fù)載電流很小，就會(huì)出現(xiàn)電流斷流情況。如果負(fù)載電阻變得很大，負(fù)載電流太小，這時(shí)若占空比負(fù)載電阻變得很大，負(fù)載電流太小，這時(shí)若占空比D仍不減仍不減小、小、t tonon不變、電源輸入到電感的磁能必使輸出電壓不斷增不變、電源輸入到電感的磁能必使輸出電壓不斷增加。加。 3.3 升壓變換電

19、路升壓變換電路SonDTt 總總 結(jié)：結(jié)： Boost電路對(duì)電源的輸入電流（也即通過二極管電路對(duì)電源的輸入電流（也即通過二極管D的的電流）就是升壓電感電流）就是升壓電感L電流，電流平均值為：電流，電流平均值為：I0=(I2+I1)/2。 實(shí)際中，選擇電感電流的增量實(shí)際中，選擇電感電流的增量IL時(shí)，應(yīng)使電感的時(shí)，應(yīng)使電感的峰值電流峰值電流Id+IL不大于最大平均直流輸入電流不大于最大平均直流輸入電流Id的的20%，以防止電感以防止電感L飽和失效。飽和失效。 Boost變換器的效率很高，一般可達(dá)變換器的效率很高，一般可達(dá)92%以上。以上。v 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

20、3.2 降壓變換電路降壓變換電路v 3.3 升壓變換電路升壓變換電路v 3.4 升降壓變換電路升降壓變換電路 v 3.5 庫克變換電路庫克變換電路 v 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v 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) 第第3章章 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v1) 概述：概述：v 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

21、性相反，其電路原理圖如圖3.4.1(a)所示。所示。 v 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v2）工作原理：）工作原理：v ton期間，二極管期間，二極管D反偏反偏而關(guān)斷，電感儲(chǔ)能，濾波電而關(guān)斷，電感儲(chǔ)能，濾波電容容C向負(fù)載提供能量。向負(fù)載提供能量。v toff期間，當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)期間，當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小超過輸出電壓大小超過輸出電壓U U0 0時(shí)，二時(shí)，二極管極管D D導(dǎo)通，電感經(jīng)導(dǎo)通，電感經(jīng)D

22、 D向向C C和和R RL L反向放電，使輸出電壓的反向放電，使輸出電壓的極性與輸入電壓相反。極性與輸入電壓相反。v 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路及其工作波形(3.4.4)(3.4.4)(3.4.1)(3.4.1)offLtILU 0onLondtILtIILU12動(dòng)態(tài)演示3.4 升降壓變換電路升降壓變換電路v2）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： 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(fù)號(hào)表示輸出與輸入電壓反相；當(dāng)為占空比，負(fù)號(hào)表示輸出與輸入電壓反相；當(dāng)D