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1、第3章 直流变换电路,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 升降压变换电路 3.6 带隔离变压器的直流变换器,第3章 直流变换电路,1、定义： 利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电压的大小，将直流电能转换为另一固定电压或可调电压的直流电能的电路称为直流变换电路(DC/DC变换电路)。也称为斩波器。 2、分类： 按变换器的功能:降压变换电路(Buck)、升压变换电路(Boost)、升降压变换电路(Buck-Boost)、正激式变换电路、反激式变换电路、库克变换电路(Cuk)和全桥直流变换电路等。,3.1 直流变换电路的工作原理,工作原理：图
2、中S是可控开关，R为纯阻性负载。在时间内当开关S接通时，电流经负载电阻R流过， R两端就有电压；在时间内开关T断开时， R中电流为零，电压也变为零。 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：,图3.1.1 基本的斩波器电路 及其负载波形,改变D值就可以改变输出电压UO的大小。 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，,（3.1. 2）,定义占空比：,则：,（3.1.1）,直流变换电路的常用工作方式主要有两种： 脉冲频率调制(PFM)工作方式： 即维持ton不变，改变TS。一般很少采用。 脉宽调制(PWM)工作方式： 即
3、维持TS不变，改变ton 。这种工作方式最常用。,占空比的改变：通过改变ton 或TS来实现。,3.2 降压变换电路(Buck),原理图,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,3.2 降压变换电路,导通期间（ton ）：电力开关器件导通T，电感蓄能，二极管D反偏。 等效电路如图3.2.1 (b). 关断期间（toff）：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； 可以计算出输出电压的平均值为：,图3.2.1 降压电路及其波形图,(3.2.3),改变D值就可以改变输出电压UO的大小。 因为D是01之间变化的系数，因此输出电压UO总
4、是小于输入电压Ud。所以称为降压变换电路。,占空比：,忽略功率损耗，由输入输出功率平衡有：,可得：,改变D值就可以改变输出电压UO的大小。 因为D是01之间变化的系数，因此输出电压UO总是小于输入电压Ud。所以称为降压变换电路。,忽略功率损耗，由输入输出功率平衡有：,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（Buck）,图3.2.2 电感电流波形图,Buck变换器的可能运行情况：,电感电流连续模式,电感电流临界 连续状态,电感电流断流模式,3.2 降压变换电路,(3.2.4),1）电感电流iL连续模式 ：,在ton期间: 电感上的电压为,式中I
5、L=I2I1为电感上电流的变化量，UO为输出电压的平均值。,(3.2.5),(3.2.6),(3.2.7),(3.2.8),(3.2.9),在toff期间: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,2）电感电流iL临界连续状态： 变换电路工作在临界连续状态时，即有I1=0，由 可得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
6、电感电流临界连续时的负载电流平均值。 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，电感电流处于临界连续; 当实际负载电流Io Iok时，电感电流断续。,(3.2.10),(3.2.11),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被滤得非常平。然而实际中的电容不可能为无穷大，所以直流输出电压总会有纹波成份。 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。 它表明通过选择合适的L、C值，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。,（3.2.14）,3.3 升压变换电路（Boost）电路,1) 定义
7、：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,电感，用来储能,2）原理图,电容，用来保持输出电压,3）工作原理： ton工作期间： 二极管截止，电感L储能，电容C 给负载R提供能量。如图(b). toff工作期间：二极管 导通，电感L经二极管给 电容充电，并向负载R提 供能量。如图(c) .,3.3 升压变换电路,图3.3.1 升压变换电路及其波形,式中占空比D=ton/TS。 当D=0时，U0=Ud，但D不能为1。 0D1 改变占空比D，就可以改变输出电压Uo。 因为 0D1， UoUin。所以称为升压变换电路。,可以推得输出电压Uo
8、与输入电压Ud之间的关系为：,4）Boost变换器的可能运行情况： 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IoIok时，电感电流连续。 当实际负载电流Io = Iok时,电感电流处于临界连续。 当实际负载电流IoIok时，电感电流断续。,(2.3.11),输出纹波电压： 在Boost电路中，如果滤波电容C的容量足够大，则输出电压U0被滤得非常平。然而实际中的电容不可能为无穷大，所以直流输出电压总会有纹波成份。 电流连续时的输出电压纹波为,上式表明通过选择合适的C值，可以限制输出纹波电压的大小。,3.4 升降压变换电路,1) 概述： 升降压变换电路
9、（又称Buck-boost电路）的输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反，其电路原理图如图3.4.1(a)所示。 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。,图3.4.1升降压变换电路原理图,3.4 升降压变换电路,2）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。,图3.4.1 升降压变换电路及其工作波形, 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。,3.4 升降压变换电路,2）工作原理：（续）,(3.4.5),上式
10、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0.5Ud，为升压变换； 当0D0.5时，U0Ud，为降压变换。,可求得输入输出电压关系为：,3）工作原理：（续） 采用前几节同样的分析方法可得临界电感值为： 变换器的可能运行情况： 实际负载电流IoIok时，电感电流连续。 实际负载电流Io = Iok时，电感电流处于临界连续。 实际负载电流IoIok时，电感电流断流。,3.4 升降压变换电路,(3.4.5),3.6 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。 2）能设置多个二次绕组输出几个电压大小不同的直流
11、电压。,1、引入变压器作用：,3.6 带隔离变压器的直流变换器,3.6.1 反激式（反励式）变换器,图3.6.1 反激式变换器电路与工作波形,工作过程：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。,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),与升降压变换器（Buck-Boost）的输入输出电压公式对比，多了变压器的匝比。,3.6 带隔离变压器的直流变换器,图3.6.2 正激式变换器电路,变换器的输出电压为：,该电路的占空比D不能超过0.5。,3.6.2 正激式变换器,(3.6.2),变换器的输出电压为：,为了满足磁通复位
12、的要求，即开关管关断后，变压器中的磁通能复位，该电路的占空比D不能超过0.5。,(3.6.2),与降压变换器（Buck）的输入输出电压公式对比，多了变压器的匝比。,3.6 带隔离变压器的直流变换器,3.6.3 推挽式变换器（属于正激式变换器）,图3.6.3 推挽式变换器电路,因为两个管子交替工作，所以其工作占空比必须小于0.5。,实际上就是由两个正激式变换器组成。两个开关管交替导通和截止。当T2导通、T1关断时，电压Ud加在原边绕组Np2上，副边二极管D1导通向负载传递能量。当T1导通、T2关断时，电压-Ud(负号表示与刚才的方向相反)加在原边绕组Np1上，副边二极管D2导通向负载传递能量,3
13、.6.4 半桥式变换器,3.6 带隔离变压器的直流变换器,图3.6.4 半桥变换电路原理图,工作原理： 电容C1和C2的容量相等，当两个开关管T1、T2都关断时，C1和C2分得相同的电压，即两个电容的中点A的电位是输入电压Ud的一半。 Uc1=Uc2= Ud/2. 当T1导通、T2关断时，加在变压器原边的电压就是Uc1。副边一个二极管导通向负载传递能量。 当T2导通、T1关断时，加在变压器原边的电压是- Uc2（负号表示与刚才的方向相反）。副边另一个二极管导通向负载传递能量。,图3.6.5 全桥变换电路,3.6.5 全桥变换电路,3.6 带隔离变压器的直流变换器,将半桥电路中的两个电解电容C1
14、和C2换成两只开关管，即可组成图3.6.5所示的全桥电路。,工作原理： T1、T4同时开关，T2、T3同时开关。 当T2、T3开通，而T1、T4关断时，电压Ud加在变压器原边，副边一个二极管导通向负载传递能量。 当T1、T4开通，而T2、T3关断时，电压-Ud(负号表示同名端相反)加在变压器原边，副边另一个二极管导通向负载传递能量。,1）PWM波形：将一个直流电压分成N等份，并把每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形 脉冲来代替，得到的脉冲列； 2）调制方法：等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个光滑曲线相交时，即得到一组等幅而脉冲宽度正比该曲线函数值的矩形脉冲。,3.7 直流变换电路的PWM控制技术,图3.7.1 PWM波形,调制信号,载波,3）直流PWM控制方式：用ug对直流变换电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，如果这些脉冲的频率不变而宽度变化，经过滤波器后就能得到大小可调的直流电压。 调节直流调制信号ur的大小，就可以改变PWM波脉冲的宽度。,图3.7.1 PWM波形,调制信号,载波,
