第三章直流交變電路

1、重點(diǎn)和難點(diǎn) 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。 第第3章章 直流變換電路直流變換電路 基本介紹 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 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路 3.7 帶隔離變壓器的直流變換器帶隔離變壓器的直流變換器 3.8 復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐窂?fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?3.9 直流變換電路的直流變換電路

2、的PWM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 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圖中T是可控開關(guān)，R為純阻性負(fù)載。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R流過， R兩端就有電壓；在時(shí)間內(nèi)開關(guān)T斷開時(shí)， R中電流為零，電壓也變?yōu)榱恪?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(shí)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?yàn)镈是01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

3、。占空比的改變：通過改變ton 或TS來實(shí)現(xiàn)。 圖圖3.1.1 3.1.1 基本的斬波器電路基本的斬波器電路 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） SDTdSRUDdtiuTP02001 導(dǎo)通時(shí)間ton 導(dǎo)通時(shí)間ton導(dǎo)通時(shí)間ton3.1 直流變換電路的工作原理直流變換電路的工作原理 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 Sepic斬波電路和斬波

4、電路和Zeta斬波電路斬波電路 3.7 帶隔離變壓器的直流變換器帶隔離變壓器的直流變換器 3.8 復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐窂?fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?3.9 直流變換電路的直流變換電路的PWM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 續(xù)流二極管續(xù)流二極管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（關(guān)斷期間（tofftoff）

5、：）：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(jì)算出輸輸出電壓的平均值出電壓的平均值為：圖圖3.2.1 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 輸入輸出電流關(guān)系輸入輸出電流關(guān)系為：v 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 降壓變換電路降壓變換電路圖3.2.2 電感電流波形圖電感電流連續(xù)模式電感電流連續(xù)模式電感電流臨界電

6、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 )(i iL L ：在在t tonon期間期間: :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=I2I1為電感上電流的變化量，UO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 (1fLDDU

7、fLUUUUIddOdOL)1 ()( 2120III )1 (201DDLTUIISd i iL L在在t toff off 期間期間: :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S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(shí)代入關(guān)系式IL= I2I1可得 變換電路工作在臨界連續(xù)狀態(tài)時(shí)，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(shí)的負(fù)載電流平均值為 ： 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

8、輸入電壓Ud、電感、電感L、開關(guān)頻率、開關(guān)頻率f以及開以及開關(guān)管關(guān)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Io Iok時(shí)，電感電流連續(xù)； 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)）; 當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流Io Iok時(shí)，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 (201DDLTUIISd )1 (20DDITULKSdo )1(2DDLTUIOSdOK 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(huì)有紋波成份。 電流連續(xù)時(shí)的輸出電壓紋波電流連續(xù)時(shí)的輸出電壓

9、紋波為q 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fcf 時(shí)，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 降壓變換電路降壓變換電路22200)(1 (28)1 (ffDLCfDUUc （3.2.14） 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 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路 3.7 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.

10、8 復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐窂?fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?3.9 直流變換電路的直流變換電路的PWM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 1) 1) 定義：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）原理圖例）原理圖例1 1 3.3 升壓變換電路升壓變換電路 原理圖例原理圖例2 2 3 3）工作原理：）工作原理： Ton 工作期間：工作期間：二極管反偏 截止，電感L儲(chǔ)能，電容C 給負(fù)載R提供能量。 Toff 工作期間：工

11、作期間：二極管 導(dǎo)通，電感L經(jīng)二極管給 電容充電，并向負(fù)載RL提 供能量。 可得： 式中占空比D=ton/TS，當(dāng)D=0時(shí)，U0=Ud，但D不能為1，因此在 0D1的變化范圍內(nèi) UoUin 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DUUtttUddoffoffon 104 4）BuckBuck變換器的可能運(yùn)行情況：變換器的可能運(yùn)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(jì)算方法，可得電感電流臨界連續(xù)時(shí)的負(fù)載電流平均值為： 當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流IoIck時(shí)，電感電流連續(xù)。 當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流Io = Ick時(shí),電感電流處于臨界

12、連續(xù) (有斷流臨界點(diǎn))。 當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流IoIck時(shí)，電感電流斷流。 3.3 升壓變換電路升壓變換電路dOSOKULDTI2 (2.3.11) T導(dǎo)通時(shí)為電感L儲(chǔ)能階段，此時(shí)電源不向負(fù)載提供能量，負(fù)載靠儲(chǔ)于電容C的能量維待工作。 T阻斷時(shí)，電源和電感共同向負(fù)載供電，同時(shí)給電容 C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)：總結(jié)：電感電流連電感電流連續(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Boost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T導(dǎo)通期間 ( )電

13、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(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 升壓變換電路升壓變換電路SonDTt 總總 結(jié)：結(jié)： Boost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。 實(shí)際中，選擇電感電流的增量IL時(shí)，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。 Boost變換器的效率很高，一般可達(dá)92%以上。 3.1 直流變換電路的工作原

14、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 Sepic斬波電路和斬波電路和Zeta斬波電路斬波電路 3.7 帶隔離變壓器的直流變換器帶隔離變壓器的直流變換器 3.8 復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐窂?fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?3.9 直流變換電路的直流變換電路的PWM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 1) 1) 概述：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

15、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升降壓變換電路原理圖例13.4 升降壓變換電路升降壓變換電路 圖例圖例23.4 升降壓變換電路升降壓變換電路 初步分析：初步分析： 3.4 升降壓變換電路升降壓變換電路 2 2）工作原理：）工作原理： ton期間，二極管D反偏而關(guān)斷，電感儲(chǔ)能，濾波電容C向負(fù)載提供能量。 toff期間，當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)勢大小超過輸出電壓U0時(shí)，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。 圖圖3.4.1 升降壓變換電路及其工

16、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 3.4 升降壓變換電路升降壓變換電路 2 2）工作原理：（）工作原理：（續(xù)）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(hào)表示輸出與輸入電壓反相；當(dāng)D=0.5時(shí)，U0=Ud；當(dāng)0.5DUd，為升壓變換；當(dāng)0D0.5時(shí)，U0uc時(shí)，T1和T4導(dǎo)通，T2和T3關(guān)斷；2)當(dāng)uruc時(shí)，開關(guān)T1、T4關(guān)斷，T2、T3導(dǎo)通 。 圖圖3.6.5 全橋變換電路全橋變換電路 圖圖3.7.

17、2 雙極性電壓雙極性電壓PWM控制方式控制方式 1 1 、雙極性電壓開關(guān)、雙極性電壓開關(guān)PWMPWM控制方式控制方式輸出電壓的平均值為：輸出電壓的平均值為：變換電路的輸出電壓可在-Ud到+Ud之間變化:1） 時(shí)，U0=0；2） 時(shí)，U00；ddsondsonsdsonUDUTtUTtTUTtU) 12 () 12 (102sonTt2sonTt2sonTt3.9 直流變換電路的直流變換電路的PWM控制技術(shù)控制技術(shù) 1）在理想條件下，U0的大小和極性只受占空比D1的控制，而與輸出電流i0無關(guān)。 2）在這種控制方式中，輸出電壓的平均值U0隨控制信號(hào)ur線性變化。 3）這種電路平均輸出電流I0可正可負(fù)。在I00時(shí)，直流電源Ud向負(fù)載U0端傳送能