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1、Beijing Jiaotong University (BJTU)电力电子技术Power Electronics Technology Spring 2006电电 气气 工工 程程 学学 院院 陈陈 洛洛 忠忠Beijing Jiaotong University (BJTU)第五章第五章 直流斩波器直流斩波器（ DC-DC变换器变换器 ）Beijing Jiaotong University (BJTU)概概 述述1、直流电压的调节方式、直流电压的调节方式（1）线性调节方式）线性调节方式v 通过与负载相串通过与负载相串联的线性元件来调联的线性元件来调节电压节电压 损耗大、效率低损耗大、效率
2、低（2）开关调节方式）开关调节方式v通过电子开关通过电子开关的闭合的闭合/断开来断开来调节电压调节电压电阻负载降压变换器电阻负载降压变换器Beijing Jiaotong University (BJTU)2、直直变换器属开关调节方式、直直变换器属开关调节方式3、直直变换技术的应用、直直变换技术的应用直流调速系统：直流调速系统：如地铁动车、无轨电车、其它如地铁动车、无轨电车、其它 蓄电池供电的电动车辆等，在蓄电池供电的电动车辆等，在 此领域称此领域称直流斩波直流斩波技术技术开关电源：开关电源：如通信电源、电脑、移动电话电源如通信电源、电脑、移动电话电源 等，在此领域称等，在此领域称直直变换直直
3、变换技术技术Beijing Jiaotong University (BJTU)4、直流斩波器的分类：、直流斩波器的分类：根据输入、输出电压大小根据输入、输出电压大小降压型降压型 U0 Ui Boost 型型升降压型升降压型 Buck-Boost 型型 Cuk 型型根据输出电压、输出电流方向根据输出电压、输出电流方向第一象限第一象限 U0 0 , I0 0第二象限第二象限 U0 0 , I0 0两象限两象限四象限四象限根据是否带隔离变压器根据是否带隔离变压器不带隔离变压器和带隔离变压器不带隔离变压器和带隔离变压器Beijing Jiaotong University (BJTU)5、本章将讨论
4、直直变换器的、本章将讨论直直变换器的工作原理工作原理和和稳态工作稳态工作特性特性，在分析过程中基于如下几点假设：，在分析过程中基于如下几点假设：电路中的开关管、二极管均为理想器件电路中的开关管、二极管均为理想器件电路中的电感、电容均为理想器件电路中的电感、电容均为理想器件直流输入电源为理想的恒压电源直流输入电源为理想的恒压电源输出电压的纹波远小于输出平均电压输出电压的纹波远小于输出平均电压Beijing Jiaotong University (BJTU)6、本章要求：、本章要求：熟悉直流变换电路的工作原理及控制方法，掌握熟悉直流变换电路的工作原理及控制方法，掌握四种基本四种基本DC/DC变换
5、电路的工作原理、连续导电变换电路的工作原理、连续导电模式时的波形分析及电量计算方法模式时的波形分析及电量计算方法了解多相多重型斩波电路、多象限斩波电路的工了解多相多重型斩波电路、多象限斩波电路的工作原理及控制方法作原理及控制方法了解带隔离变压器的了解带隔离变压器的DC/DC变换电路的工作原理变换电路的工作原理7、重点：、重点：掌握各种掌握各种DC/DC变换电路的工作原理、波形分析和变换电路的工作原理、波形分析和电量计算电量计算Beijing Jiaotong University (BJTU)直流斩波器的应用：直流斩波器的应用：直流电机调速直流电机调速直流电压变换（开关电源）直流电压变换（开关
6、电源）直流电压隔离直流电压隔离Beijing Jiaotong University (BJTU)3. 1 工作原理及控制方式工作原理及控制方式3. 1. 1 直流斩波器的工作原理直流斩波器的工作原理 S ： 斩波开关斩波开关 D ： 续流二极管续流二极管 S闭合：闭合： uLD = US S断开：断开： uLD = 0Beijing Jiaotong University (BJTU)负载电压平均值：负载电压平均值：斩波开关导通比（占空比）：斩波开关导通比（占空比）：0 1 ，0 ULD US0 t ton : Beijing Jiaotong University (BJTU) ton t
7、 T :Beijing Jiaotong University (BJTU)3.1.2直流斩波器的控制方式直流斩波器的控制方式 基本控制方式：调节基本控制方式：调节 ton / T 定频调宽控制（定频调宽控制（PWM）T 不变，调节不变，调节 ton 定宽调频控制（定宽调频控制（PFM）ton 不变，调节不变，调节 T toff 不变，调节不变，调节 ton 和和 T 调频调宽混合控制调频调宽混合控制Beijing Jiaotong University (BJTU) 反馈控制方式：反馈控制方式： 瞬时值控制瞬时值控制（边带控制、（边带控制、bang-bang控制）控制） 当当 i Imax时
8、，时，S 关断关断 特点：特点： 输出电流输出电流(电压电压)纹波恒定纹波恒定 响应速度快响应速度快 开关频率变化较大开关频率变化较大Beijing Jiaotong University (BJTU)平均值控制平均值控制电压反馈控制或电流反馈控制电压反馈控制或电流反馈控制 当当 Uf Ur 时，减小时，减小ton ， U0 下降下降特点：特点：开关频率固定，易于滤波，响应较慢开关频率固定，易于滤波，响应较慢Beijing Jiaotong University (BJTU)5. 1 降压变换器（降压变换器（BUCK变换器）变换器）一、电路与工作原理一、电路与工作原理1、电路结构、电路结构2、
9、工作原理、工作原理S闭合，闭合，Ud通过通过L向向R供能，供能，iL增大，增大，L储储能增加能增加S断开，断开， iL通过通过D续流，续流，L上的能量消耗在上的能量消耗在R上，上， iL下降下降Uo=0 Ud 视视iL是否连续，可分为连续导电模式和不连续导电模式是否连续，可分为连续导电模式和不连续导电模式功率开功率开关器件关器件滤波电容滤波电容储能电感储能电感续流二极管续流二极管Beijing Jiaotong University (BJTU)二、连续导电模式二、连续导电模式1、波形分析、波形分析稳态时，稳态时，Uo基本恒定，基本恒定，IC=0，UL=0，Io=IL忽略电路损耗，忽略电路损耗
10、，Pd=Po，即：即：UdId=UoIoBeijing Jiaotong University (BJTU)2、电量计算、电量计算因为因为所以所以得：得：由由得：得：Beijing Jiaotong University (BJTU)5. 2 升压变换器（升压变换器（BOOST变换器）变换器）一、一、 电路与工作原理电路与工作原理1、电路结构、电路结构2、工作原理、工作原理S闭合，闭合，Ud向向L充电，充电，iL增大，负载由增大，负载由C供电供电S断开，断开， i iL通过通过D向向C和和R供电，供电， i iL下降下降Uo= Ud视视i iL是否连续，可分为连续导电模式和不连续导电模式是否连
11、续，可分为连续导电模式和不连续导电模式储能储能电感电感滤波滤波电容电容Beijing Jiaotong University (BJTU)二、连续导电模式二、连续导电模式1、波形分析、波形分析稳态时，稳态时，Uo基本恒定，基本恒定，IC=0，UL=0， I0=ID ， Id=IL 忽略电路损耗，忽略电路损耗，Pd=Po，即：即：UdId=UoIoBeijing Jiaotong University (BJTU)2、电量计算、电量计算稳态时，一个周期稳态时，一个周期T T内内L L积蓄能量与释放能量相等：积蓄能量与释放能量相等：Beijing Jiaotong University (BJTU
12、)5. 3 升降压变换器（升降压变换器（BUCK-BOOST变换器）变换器）一、电路结构与工作原理一、电路结构与工作原理1、电路结构、电路结构2、工作原理、工作原理S闭合，闭合，Ud向向L充电，充电，iL增大，负载由增大，负载由C供电供电S断开，断开， iL通过通过D向向C和和R供电，供电， iL下降下降Uo=0 视视iL是否连续，可分为连续导电模式和不连续导电模式是否连续，可分为连续导电模式和不连续导电模式Beijing Jiaotong University (BJTU)二、二、 连续导电模式连续导电模式1、波形分析、波形分析稳态时，稳态时，Uo基本恒定，基本恒定，IC=0，UL=0， I
13、0=ID 忽略电路损耗，忽略电路损耗，Pd=Po，即：即：UdId=UoIoBeijing Jiaotong University (BJTU)2、电量计算、电量计算Beijing Jiaotong University (BJTU)5. 4 丘克变换器（丘克变换器（CUK变换器）变换器）一、一、 电路结构与工作原理电路结构与工作原理1、电路结构、电路结构L1、C1为能量传递元件为能量传递元件L2、C2为滤波元件为滤波元件Beijing Jiaotong University (BJTU)2、工作原理、工作原理S闭合，闭合，D截止，截止，Ud向向L1充电，充电，iL1增大增大， C1向向L2
14、、 C2和负载供和负载供电，电， iL2增大增大S断开，断开，D导通，导通，Ud和和L给给C1充电，充电， iL1下降下降，负载由，负载由L2和和C2供电，供电， iL2下降下降Uo=0视视iL1是否连续，可分为连续导电和不连续导电模式是否连续，可分为连续导电和不连续导电模式Beijing Jiaotong University (BJTU)二、连续导电模式二、连续导电模式1、波形分析、波形分析稳态时，稳态时， UC1 、Uo基本恒定，基本恒定，IC1=0， IC2=0， UL1=0， UL2=0忽略电路损耗，忽略电路损耗，Pd=Po，即：即：UdId=UoIoId=IL1，Io=IL2Bei
15、jing Jiaotong University (BJTU)2、电量计算、电量计算Beijing Jiaotong University (BJTU)课课 堂堂 思思 考考 1、在丘克、在丘克DCDC变换器中，传递能量的元件是变换器中，传递能量的元件是 。2、在、在BOOST电路中，若输入电压电路中，若输入电压Ui=10.0V，占空比，占空比D=0.7，则输出电压，则输出电压Uo= 。 3、判断对错、判断对错（1）BuckBoost DCDC变换器：变换器： 在连续工作状态下，输入电流是连续的在连续工作状态下，输入电流是连续的 属于一象限属于一象限DCDC变换器变换器 在连续工作状态下，若输
16、入电压一定，则变换器输出电压与占空比呈线在连续工作状态下，若输入电压一定，则变换器输出电压与占空比呈线性关系性关系 是升降压是升降压DCDC变换器变换器 连续工作状态是指负载电流连续连续工作状态是指负载电流连续（2）DC-DC变换电路中，器件开关频率越高，输出电压的脉动越小。变换电路中，器件开关频率越高，输出电压的脉动越小。（3）在）在DC-DC变换电路中，输出滤波电容越大，输出电压的脉动越小。变换电路中，输出滤波电容越大，输出电压的脉动越小。（4）在）在DC-DC变换电路中，输入电压越高，输出电压的脉动越小。变换电路中，输入电压越高，输出电压的脉动越小。 Beijing Jiaotong U
17、niversity (BJTU)5.15.4 小结小结1、直流、直流直流（直流（DCDC）变换器）变换器把一种直流电变换成把一种直流电变换成另一种直流电的电力电子装置另一种直流电的电力电子装置2、 DCDC变换器的分类、基本控制方法变换器的分类、基本控制方法3、 DCDC变换器的工作频率（开关器件的开关频率）、输变换器的工作频率（开关器件的开关频率）、输出滤波电容对输出电压脉动（纹波）的影响出滤波电容对输出电压脉动（纹波）的影响4、对四种基本、对四种基本DCDC变换器的要求：变换器的要求： 能画电路图、并能叙述其工作原理能画电路图、并能叙述其工作原理 能画各元件上的电压、电流波形（重点是能画各
18、元件上的电压、电流波形（重点是uL、iL波形，难波形，难点是点是ic波形）波形） 会推导会推导Uo/Ud=f(D)的关系式和的关系式和iL的表达式的表达式Beijing Jiaotong University (BJTU)5 . 5 带隔离变压器的直直变换器带隔离变压器的直直变换器开关电源的基础：由基本直直变换器派生而来开关电源的基础：由基本直直变换器派生而来由降压变换器派生的电路由降压变换器派生的电路 单端正激变换器单端正激变换器 混合桥式变换器混合桥式变换器 电压型推挽变换器电压型推挽变换器 电压型半桥变换器电压型半桥变换器 电压型全桥变换器电压型全桥变换器 由升压变换器派生的电路由升压变
19、换器派生的电路 电流型推挽变换器电流型推挽变换器 由升由升-降压变换器派生的电路降压变换器派生的电路 单端反激变换器单端反激变换器 Beijing Jiaotong University (BJTU)一、正激式（一、正激式（Forward）变换器变换器（一）理想（一）理想单端正激式变换器单端正激式变换器不考虑变压器激磁电抗和漏抗不考虑变压器激磁电抗和漏抗2、工作原理、工作原理 S闭合闭合 ：D1正偏导通，正偏导通， D2反偏截止，反偏截止，uL0 ，iL线性增线性增大；大； S断开：断开：D2续流，续流，uL0 ，iL线性减小。线性减小。1、电路结构、电路结构Beijing Jiaotong
20、University (BJTU)3、单端变换器必须遵循的原则、单端变换器必须遵循的原则：磁通复位（去磁）原则磁通复位（去磁）原则 要求在每个周期结束时，变压器磁芯中的磁通要求在每个周期结束时，变压器磁芯中的磁通增量为零（即磁通复位），否则磁通将不断增加，增量为零（即磁通复位），否则磁通将不断增加，导致磁芯饱和，造成开关管损坏导致磁芯饱和，造成开关管损坏Beijing Jiaotong University (BJTU)（二）实用单端正激式变换器（二）实用单端正激式变换器1、电路结构、电路结构N1：原边绕组；原边绕组；N2：副边绕组；副边绕组；N3：去磁绕组去磁绕组Beijing Jiaoto
21、ng University (BJTU)2、工作原理、工作原理S闭合：闭合：D1导通，导通，D2、D3截止，截止， i iL L 、i im m线性增长线性增长S断开，去磁期间：断开，去磁期间：D1截止，截止，D2、D3导通，导通， i iL L 、 i im m线性减小，线性减小， i im m经经N3、D3反馈到电源反馈到电源Ud中中断开，去磁以后：断开，去磁以后：D1 、D3截止，截止，D2导通，导通， i iL L线性线性减小减小Beijing Jiaotong University (BJTU)Beijing Jiaotong University (BJTU)3、基本关系：、基本关
22、系： 承受最大电压：承受最大电压： D1承受最大电压：承受最大电压： D2承受最大电压：承受最大电压： D3承受最大电压：承受最大电压： 通常取：通常取： N3 = N1Beijing Jiaotong University (BJTU)（三）双管单端正激式变换器（三）双管单端正激式变换器Beijing Jiaotong University (BJTU)二、反激式（二、反激式（Flyback）变换器变换器1、电路结构、电路结构2、工作原理、工作原理Beijing Jiaotong University (BJTU)3、波形分析、波形分析Beijing Jiaotong University
23、(BJTU)4、基本关系、基本关系 承受最大电压：承受最大电压： D承受最大电压：承受最大电压： Beijing Jiaotong University (BJTU)三、推挽式（三、推挽式（Push-pull）变换器变换器1、电路结构、电路结构Beijing Jiaotong University (BJTU)2、工作原理、工作原理T1导通、导通、T2截止：截止：D1正偏导通，正偏导通，D2反偏截反偏截止，止，i iD1=i iL L线性增长，线性增长，i iD2=T1截止、截止、T2导通：导通：D1反偏截止，反偏截止，D2正偏导正偏导通，通，i iD2=i iL L线性增长，线性增长，i i
24、D=T1、T2截止：截止： D1、D2续流，续流， i iL L线性下降。线性下降。若不考虑激磁电流，若不考虑激磁电流，则则i iD1= i iD2=i iL L/2/2根据根据i iL L是否连续可分为是否连续可分为连续工况和断续工况连续工况和断续工况Beijing Jiaotong University (BJTU)3、主要波形、主要波形4、基本关系、基本关系 原边原边T承受最大电压：承受最大电压：原边承受最大电压：原边承受最大电压：副边副边D承受最大电压：承受最大电压：l 如果两个开关导通时间不对称，使会变压器中存在直如果两个开关导通时间不对称，使会变压器中存在直 流分量，因此容易发生变
25、压器的偏磁和直流磁饱和流分量，因此容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和Beijing Jiaotong University (BJTU)四、半桥式（四、半桥式（Half-bridge）变换器变换器1、电路结构、电路结构Beijing Jiaotong University (BJTU)2、工作原理和主要波形：、工作原理和主要波形：均与推挽式类似均与推挽式类似Beijing Jiaotong University (BJTU)4、基本关系、基本关系 原边原边T承受最大电压：承受最大电压：副边副边D承受最大电压：承受最大电压：l由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通由于电容的隔直作用，半桥电
26、路对由于两个开关导通 时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有 自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流 磁饱和磁饱和Beijing Jiaotong University (BJTU)五、全桥式（五、全桥式（Full-bridge）变换器变换器1、电路结构、电路结构Beijing Jiaotong University (BJTU)2、工作原理和主要波形：、工作原理和主要波形：均与推挽式类似均与推挽式类似Beijing Jiaotong University (BJTU)4、基本关系、基本
27、关系 原边原边T承受最大电压：承受最大电压： 副边副边D承受最大电压：承受最大电压： l如果如果T T1 1、T T4 4与与T T2 2、T T3 3的导通时间不对称，则交流电压的导通时间不对称，则交流电压u uT T 中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流 分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直 流分量的产生，也可以在一次侧回路串联一个电容，以流分量的产生，也可以在一次侧回路串联一个电容，以 阻断直流电流阻断直流电流Beijing Jiaotong University (B
28、JTU)五种带隔离变压器的五种带隔离变压器的DC/DC电路的比较电路的比较电路结构电路结构变压器利用率（单端、双端）变压器利用率（单端、双端）激磁能量（去磁方法）激磁能量（去磁方法）开关器件电压应力开关器件电压应力功率等级（应用场合）功率等级（应用场合）驱动难易程度驱动难易程度可靠性（短路、偏磁）可靠性（短路、偏磁）Beijing Jiaotong University (BJTU)5.5 小结小结1、 带隔离变压器的直直变换器一般用作开关电源带隔离变压器的直直变换器一般用作开关电源2、带隔离变压器的单端变换器必须遵循磁通复位原则、带隔离变压器的单端变换器必须遵循磁通复位原则3、对以上、对以上DCDC变换器的要求：变换器的要求： 能能“认认”电路图、并能叙述其工作原理电路图、并能叙述其工作原理 能画一些典型的电压、电流波形能画一些典型的电压、电流波形 熟悉并理解各变换器的特点熟悉并理解各变换器的特点Beijing Jiaotong University (BJTU)习题习题 51、 52 、 53、 54、55思考和作业思考和作业Beijing Jiaotong University (BJTU)实验三实验三 直流斩波电路直流斩波电路
