直流交變電路

關(guān)于直流交變電路第1頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五重點和難點

各種直流變換電路的工作原理和它們的區(qū)別。掌握判斷升壓和降壓斬波電路的方法。直流變換電路的PWM控制技術(shù)的基本原理。

第2頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五第3章直流變換電路基本介紹第3頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.1直流變換電路的工作原理

3.2降壓變換電路

3.3升壓變換電路

3.4

升降壓變換電路

3.5庫克變換電路

3.6Sepic斬波電路和Zeta斬波電路

3.7帶隔離變壓器的直流變換器

3.8復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路

3.9直流變換電路的PWM控制技術(shù)第3章直流變換電路

第4頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五

第3章直流變換電路

1、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。(開關(guān)型DC/DC變換電路/斬波器)。2、分類：

按穩(wěn)壓控制方式:脈沖寬度調(diào)制(PWM)、脈沖頻率調(diào)制、(PFM)直流變換電路。按變換器的功能:降壓變換電路(Buck)、升壓變換電路(Boost)、升降壓變換電路(Buck-Boost)、庫克變換電路(Cuk)和全橋直流變換電路。

3、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)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。第5頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.1直流變換電路的工作原理工作原理：圖中T是可控開關(guān)，R為純阻性負(fù)載。在時間內(nèi)當(dāng)開關(guān)T接通時，電流經(jīng)負(fù)載電阻R流過，R兩端就有電壓；在時間內(nèi)開關(guān)T斷開時，R中電流為零，電壓也變?yōu)榱恪?/p>

電路中開關(guān)的占空比

TS為開關(guān)T的工作周期，ton為導(dǎo)通時間。由波形圖可得到輸出電壓平均值為

若認(rèn)為開關(guān)T無損耗，則輸入功率為式（3.1.2）中Ud為輸入直流電壓。輸出電壓平均值的改變：因為D是0～1之間變化的系數(shù)，因此在D的變化范圍內(nèi)輸出電壓UO總是小于輸入電壓Ud，改變D值就可以改變其大小。占空比的改變：通過改變ton

或TS來實現(xiàn)。

圖3.1.1基本的斬波器電路及其負(fù)載波形

（3.1.2）（3.1.1）（3.1.3）第6頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五

直流變換電路的常用工作方式主要有三種：脈沖頻率調(diào)制(PFM)工作方式：

即維持導(dǎo)通時間ton不變，改變工作周期TS。在這種調(diào)壓方式中，由于輸出電壓波形的周期是變化的，因此輸出諧波的頻率也是變化的，這使得濾波器的設(shè)計比較困難，輸出諧波干擾嚴(yán)重，一般很少采用。

脈寬調(diào)制(PWM)工作方式：

即維持TS不變，改變導(dǎo)通時間ton

。在這種調(diào)壓方式中，輸出電壓波形的周期是不變的，因此輸出諧波的頻率也不變，這使得濾波器的設(shè)計容易，并且應(yīng)用的較多?；旌闲图垂ぷ髦芷赥S和導(dǎo)通時間ton都可調(diào)，改變占空比——混合型3.1直流變換電路的工作原理第7頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.1直流變換電路的工作原理

3.2降壓變換電路

3.3升壓變換電路

3.4

升降壓變換電路

3.5庫克變換電路

3.6Sepic斬波電路和Zeta斬波電路

3.7帶隔離變壓器的直流變換器

3.8復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路

3.9直流變換電路的PWM控制技術(shù)

第3章直流變換電路

第8頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.2降壓變換電路原理圖例1

續(xù)流二極管全型電力器件輸入直流電壓濾波電感濾波電容負(fù)載第9頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.2降壓變換電路原理圖例2第10頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.2降壓變換電路導(dǎo)通期間（ton）：電力開關(guān)器件導(dǎo)通，電感蓄能，二極管D反偏。等效電路如圖3.2.1(b)所示；關(guān)斷期間（toff）：電力開關(guān)器件斷開，電感釋能，二極管D導(dǎo)通續(xù)流。等效電路如3.2.1(c)所示；由波形圖3.2.1(b)可以計算出輸出電壓的平均值為：圖3.2.1降壓電路及其波形圖(3.2.3)

忽略器件功率損耗，即

輸入輸出電流關(guān)系為：第11頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五電感中的電流iL是否連續(xù)，取決于開關(guān)頻率、濾波電感L和電容C的數(shù)值。3.2降壓變換電路圖3.2.2電感電流波形圖Buck變換器的可能運行情況：電感電流連續(xù)模式電感電流臨界連續(xù)狀態(tài)電感電流斷流模式第12頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.2降壓變換電路

(3.2.4)

1）電感電流iL連續(xù)模式：在ton期間:電感上的電壓為

由于電感L和電容C無損耗，因此iL從I1線性增長至I2，上式可以寫成式中△IL=I2－I1為電感上電流的變化量，UO為輸出電壓的平均值。第13頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.2降壓變換電路(3.2.5)(3.2.6)(3.2.7)(3.2.8)(3.2.9)1）電感電流iL連續(xù)模式：在toff期間:假設(shè)電感中的電流iL從I2線性下降到I1，則有根據(jù)式(3.2.4)、(3.2.5)可求出開關(guān)周期ＴS為

上式中△IL為流過電感電流的峰－峰值，最大為I2，最小為I1。電感電流一周期內(nèi)的平均值與負(fù)載電流IO相等，即將式(3.2.7)、(3.2.8)同時代入關(guān)系式△IL=I2－I1可得第14頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五2）電感電流iL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I1=0，由可得維持電流臨界連續(xù)的電感值L0為：

即電感電流臨界連續(xù)時的負(fù)載電流平均值為：

總結(jié)：臨界負(fù)載電流Iok與輸入電壓Ud、電感L、開關(guān)頻率f以及開關(guān)管T的占空比D都有關(guān)。

當(dāng)實際負(fù)載電流Io＞Iok時，電感電流連續(xù)；當(dāng)實際負(fù)載電流Io=Iok時，電感電流處于連續(xù)（有斷流臨界點）;

當(dāng)實際負(fù)載電流Io

＜Iok時，電感電流斷流；3.2降壓變換電路(3.2.10)(3.2.11)第15頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五

輸出紋波電壓：

在Buck電路中，如果濾波電容C的容量足夠大，則輸出電壓U0為常數(shù)。然而在電容C為有限值的情況下，直流輸出電壓將會有紋波成份。電流連續(xù)時的輸出電壓紋波為其中f為buck電路的開關(guān)頻率，fc為電路的截止頻率。它表明通過選擇合適的L、C值，當(dāng)滿足fc＜＜f時，可以限制輸出紋波電壓的大小，而且紋波電壓的大小與負(fù)載無關(guān)。3.2降壓變換電路（3.2.14）

第16頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.1直流變換電路的工作原理

3.2降壓變換電路

3.3升壓變換電路

3.4

升降壓變換電路

3.5庫克變換電路

3.6Sepic斬波電路和Zeta斬波電路

3.7帶隔離變壓器的直流變換器

3.8復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路

3.9直流變換電路的PWM控制技術(shù)第3章直流變換電路

第17頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五

3.3升壓變換電路1)

定義：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Boost電路。全控型電力器件開關(guān)儲能保持輸出電壓2）原理圖例1第18頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五

3.3升壓變換電路原理圖例2第19頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3）工作原理：Ton工作期間：二極管反偏截止，電感L儲能，電容C

給負(fù)載R提供能量。Toff工作期間：二極管Ｄ導(dǎo)通，電感L經(jīng)二極管Ｄ給電容充電，并向負(fù)載RL提供能量?？傻茫?/p>

式中占空比D=ton/TS，當(dāng)D=0時，U0=Ud，但D不能為1，因此在

0≤D＜1的變化范圍內(nèi)Uo≥Uin

3.3升壓變換電路圖3.3.1升壓變換電路及其波形第20頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五4）Buck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)時的負(fù)載電流平均值為：

當(dāng)實際負(fù)載電流Io＞Ick時，電感電流連續(xù)。當(dāng)實際負(fù)載電流Io=Ick時,電感電流處于臨界連續(xù)(有斷流臨界點)。當(dāng)實際負(fù)載電流Io＜Ick時，電感電流斷流。

3.3升壓變換電路(2.3.11)第21頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五

①T導(dǎo)通時為電感L儲能階段，此時電源不向負(fù)載提供能量，負(fù)載靠儲于電容C的能量維待工作。②T阻斷時，電源和電感共同向負(fù)載供電，同時給電容C充電。

圖3.3.1升壓變換電路及其波形

3.3升壓變換電路

總結(jié)：電感電流連續(xù)時Boost變換器的工作分為兩個階段:第22頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五③沒有電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)的Boost變換器不宜在輸出端開路情況下工作：因為穩(wěn)態(tài)運行時，開關(guān)管T導(dǎo)通期間()電源輸入到電感L中的磁能，在T截止期間通過二極管D轉(zhuǎn)移到輸出端，如果負(fù)載電流很小，就會出現(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，這時若占空比D仍不減小、ton不變、電源輸入到電感的磁能必使輸出電壓不斷增加。3.3升壓變換電路總結(jié)：①Boost電路對電源的輸人電流（也即通過二極管D的電流）就是升壓電感L電流，電流平均值為：I0=(I2-I1)/2。②實際中，選擇電感電流的增量△IL時，應(yīng)使電感的峰值電流Id+△IL不大于最大平均直流輸入電流Id的20%，以防止電感L飽和失效。④Boost變換器的效率很高，一般可達(dá)92%以上。第23頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.1直流變換電路的工作原理

3.2降壓變換電路

3.3升壓變換電路

3.4升降壓變換電路

3.5庫克變換電路

3.6Sepic斬波電路和Zeta斬波電路

3.7帶隔離變壓器的直流變換器

3.8復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路

3.9直流變換電路的PWM控制技術(shù)

第3章直流變換電路

第24頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.4升降壓變換電路

1)概述：

升降壓變換電路（又稱Buck-boost電路）的輸出電壓平均值可以大于或小于輸入直流電壓，輸出電壓與輸入電壓極性相反，其電路原理圖參見圖例1和圖例2

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。升降壓變換電路原理圖例1第25頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.4升降壓變換電路圖例2第26頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.4升降壓變換電路初步分析：第27頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.4升降壓變換電路2）工作原理：

①ton期間，二極管D反偏而關(guān)斷，電感儲能，濾波電容C向負(fù)載提供能量。

②toff期間，當(dāng)感應(yīng)電動勢大小超過輸出電壓U0時，二極管D導(dǎo)通，電感經(jīng)D向C和RL反向放電，使輸出電壓的極性與輸入電壓相反。

圖3.4.1升降壓變換電路及其工作波形(3.4.4)(3.4.1)第28頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.4升降壓變換電路2）工作原理：（續(xù)）在ton期間電感電流的增加量等于toff期間的減少量，得：

由

,的關(guān)系，求出輸出電壓的平均值為：

上式中，D為占空比，負(fù)號表示輸出與輸入電壓反相；當(dāng)D=0.5時，U0=Ud；當(dāng)0.5<D<1時，U0>Ud，為升壓變換；當(dāng)0≤D<0.5時，U0<Ud，為降壓變換。(3.4.5)第29頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3）工作原理：（續(xù)）采用前幾節(jié)同樣的分析方法可得電感電流臨界連續(xù)時的負(fù)載電流平均值為：變換器的可能運行情況：

實際負(fù)載電流Io＞Ick時，電感電流連續(xù)。

實際負(fù)載電流Io=Ick時，電感電流處于臨界連

續(xù)(有斷流臨界點)。

實際負(fù)載電流Io＜Ick時，電感電流斷流。3.4升降壓變換電路(3.4.5)第30頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.1直流變換電路的工作原理

3.2降壓變換電路

3.3升壓變換電路

3.4升降壓變換電路

3.5庫克變換電路

3.6Sepic斬波電路和Zeta斬波電路

3.7帶隔離變壓器的直流變換器

3.8復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路

3.9直流變換電路的PWM控制技術(shù)

第3章直流變換電路

第31頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五

1）庫克(Cuk)變換電路屬升降壓型直流變換電路。

2）電路的特點：輸出電壓極性與輸入電壓相反，出入端電流紋波小，輸出直流電壓平穩(wěn)，降低了對外部濾波器的要求。3.5庫克變換電路L1、L2儲能電感耦合電容快速恢復(fù)續(xù)流二極管濾波電容圖3.5.1（a）庫克(Cuk)變換電路原理圖第32頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.5庫克變換電路第33頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.5庫克變換電路第34頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.5庫克變換電路圖3.5.1庫克電路及其等效電路和工作波形

晶閘管關(guān)斷晶閘管開通第35頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五

1）Cuk變換電路也有電流連續(xù)和斷流兩種工作情況，但這里不是指電感電流的斷流，而是指流過二極管D的電流連續(xù)或斷流。

2）工作情況電流連續(xù)：在開關(guān)管T的關(guān)斷時間內(nèi)，二極管電流總是大于零。電流斷流：在開關(guān)管T的關(guān)斷時間內(nèi)，二極管電流在一段時間內(nèi)為零。臨界連續(xù)：二極管電流經(jīng)toff后，在下個開關(guān)周

TS的開通時刻二極管電流正好降為零。3.5庫克變換電路第36頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五第3章直流變換電路3.1直流變換電路的工作原理

3.2降壓變換電路

3.3升壓變換電路

3.4升降壓變換電路

3.5庫克變換電路

3.6Sepic斬波電路和Zeta斬波電路

3.7帶隔離變壓器的直流變換器

3.8復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路

3.9直流變換電路的PWM控制技術(shù)第37頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.6Sepic斬波電路和Zeta斬波電路第38頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.6Sepic斬波電路和Zeta斬波電路第39頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.1直流變換電路的工作原理

3.2降壓變換電路

3.3升壓變換電路

3.4升降壓變換電路

3.5庫克變換電路

3.6Sepic斬波電路和Zeta斬波電路

3.7帶隔離變壓器的直流變換器

3.8復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路

3.9直流變換電路的PWM控制技術(shù)

第3章直流變換電路

第40頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.7帶隔離變壓器的直流變換器

1）能使變換器的輸入電源與負(fù)載之間實現(xiàn)電氣隔離，提高變換器運行的安全可靠性和電磁兼容性。

2）選擇變壓器的變比還可匹配電源電壓Ud與負(fù)載所需的輸出電壓Uo，能使直流變換器的占空比D數(shù)值適中而不至于接近于零或接近于l。

3）能設(shè)置多個二次繞組輸出幾個電壓大小不同的直流電壓。1、引入變壓器作用：第41頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五

1）單端變換器：變換器只需一個開關(guān)管，變換器中變壓器的磁通只在單方向變化；

2）正激變換器：開關(guān)管導(dǎo)通時電源將能量直接傳送至負(fù)載；

3）反激變換器：開關(guān)管導(dǎo)通時電源將電能轉(zhuǎn)為磁能儲存在電感中，當(dāng)開關(guān)管阻斷時再將磁能變?yōu)殡娔軅魉偷截?fù)載；3.7帶隔離變壓器的直流變換器2、分類：第42頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.7帶隔離變壓器的直流變換器3.7.1反激式變換器圖3.6.1反激式變換器電路與工作波形

一般情況下，反激式變換器的工作占空比D要小于0.5。

反激式變換器工作在輸出電流連續(xù)的狀態(tài)下，

輸出電壓UO為：(3.6.1)第43頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.7帶隔離變壓器的直流變換器圖3.6.2正激式變換器電路變換器的輸出電壓為：該電路的占空比D不能超過0.5。3.7.2正激式變換器(3.6.2)第44頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.7帶隔離變壓器的直流變換器3.7.3推挽式變換器（屬正激式變換器）圖3.6.3推挽式變換器電路

其工作占空比必須保持小于0.5。第45頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.7.4半橋式變換器

3.7帶隔離變壓器的直流變換器圖3.6.4半橋變換電路原理圖第46頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五圖3.6.5全橋變換電路

3.7.5全橋變換電路

3.7帶隔離變壓器的直流變換器

將半橋電路中的兩個電解電容C1和C2換成兩只開關(guān)管，并配上適當(dāng)?shù)尿?qū)動器，即可組成圖3.6.5所示的全橋電路。第47頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.1直流變換電路的工作原理

3.2降壓變換電路

3.3升壓變換電路

3.4升降壓變換電路

3.5庫克變換電路

3.6Sepic斬波電路和Zeta斬波電路

3.7帶隔離變壓器的直流變換器

3.8復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路

3.9直流變換電路的PWM控制技術(shù)

第3章直流變換電路

第48頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五

3.8復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路3.8.1電流可逆斬波電路3.8.2橋式可逆斬波電路3.8.3多相多重斬波電路第49頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.8.1電流可逆斬波電路第50頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.8.1電流可逆斬波電路第51頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.8.2橋式可逆斬波電路第52頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.8.3多相多重斬波電路第53頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.8.3多相多重斬波電路第54頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.8.3多相多重斬波電路第55頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.1直流變換電路的工作原理

3.2降壓變換電路

3.3升壓變換電路

3.4升降壓變換電路

3.5庫克變換電路

3.6Sepic斬波電路和Zeta斬波電路

3.7帶隔離變壓器的直流變換器

3.8復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路

3.9直流變換電路的PWM控制技術(shù)

第3章直流變換電路

第56頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.9直流變換電路的PWM控制技術(shù)3.9.1直流PWM控制的基本原理圖3.7.1PWM波形載波調(diào)制信號第57頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五1）PWM波形：將一個直流電壓分成N等份，并把每一等份所包圍的面積都用一個與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替，得到的脈沖列；2）調(diào)制方法：等腰三角波上下寬度與高度成線性關(guān)系且左右對稱，當(dāng)它與任何一個光滑曲線相交時，即得到一組等幅而脈沖寬度正比該曲線函數(shù)值的矩形脈沖。3.9.1直流PWM控制的基本原理圖3.7.1PWM波形調(diào)制信號載波第58頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3）直流PWM控制方式：用ug對直流變換電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，如果這些脈沖的頻率不變而寬度變化，經(jīng)過濾波器后就能得到大小可調(diào)的直流電壓。調(diào)節(jié)直流調(diào)制信號ur的大小，就可以改變PWM波脈沖的寬度。3.9.1直流PWM控制的基本原理圖3.9.1PWM波形調(diào)制信號載波第59頁，共66頁，2023年，2月20日，星期五3.9直流變換電路的PWM控制技術(shù)

1、雙極性電壓開關(guān)PWM控制方式開關(guān)原理：

直流控制電壓與三角波電壓比較產(chǎn)生兩