第三章 直流變換電路

第三章直流變換電路第1頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

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(kù)克變換電路

3.6帶隔離變壓器的直流變換器

3.7直流變換電路的PWM控制技術(shù)

第3章

直流變換電路

第2頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.1直流變換電路的工作原理工作原理：圖中S是可控開(kāi)關(guān)，R為純阻性負(fù)載。在時(shí)間內(nèi)當(dāng)開(kāi)關(guān)S接通時(shí)，電流經(jīng)負(fù)載電阻R流過(guò)，R兩端就有電壓；在時(shí)間內(nèi)開(kāi)關(guān)T斷開(kāi)時(shí)，R中電流為零，電壓也變?yōu)榱恪?/p>

電路中開(kāi)關(guān)的占空比TS為開(kāi)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(kāi)關(guān)T無(wú)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(guò)改變ton或TS來(lái)實(shí)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3頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三直流變換電路的常用工作方式主要有兩種：①脈沖頻率調(diào)制(PFM)工作方式：即維持不變，改變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(jì)比較困難，輸出諧波干擾嚴(yán)重，一般很少采用。②脈寬調(diào)制(PWM)工作方式：即維持TS不變，改變。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(jì)容易。3.1直流變換電路的工作原理第4頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

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(kù)克變換電路

3.6帶隔離變壓器的直流變換器

3.7直流變換電路的PWM控制技術(shù)

第3章

直流變換電路

第5頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.2降壓變換電路原理圖

續(xù)流二極管全控型電力器件輸入直流電壓濾波電感濾波電容負(fù)載第6頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.2降壓變換電路導(dǎo)通期間（ton）：電力開(kāi)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(kāi)關(guān)器件斷開(kāi)，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7頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三電感中的電流iL是否連續(xù)，取決于開(kāi)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(yùn)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8頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.2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(wú)損耗，因此iL從I1線性增長(zhǎng)至I2，上式可以寫(xiě)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9頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.2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(kāi)關(guān)周期ＴS為上式中△IL為流過(guò)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=I2－I1可得第10頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2）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(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：

式中Iok為電感電流臨界連續(xù)時(shí)的負(fù)載電流平均值?？偨Y(jié)：臨界負(fù)載電流Iok與輸入電壓Ud、電感L、開(kāi)關(guān)頻率f以及開(kāi)關(guān)管T的占空比D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(3.2.10)(3.2.11)第11頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三輸出紋波電壓：

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(huì)有紋波成份。電流連續(xù)時(shí)的輸出電壓紋波為

其中f為buck電路的開(kāi)關(guān)頻率，fc為電路的截止頻率。它表明通過(guò)選擇合適的L、C值，當(dāng)滿足fc＜＜f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(wú)關(guān)。3.2降壓變換電路（3.2.14）

第12頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

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(kù)克變換電路

3.6帶隔離變壓器的直流變換器

3.7直流變換電路的PWM控制技術(shù)

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直流變換電路

第13頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

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(kāi)關(guān)儲(chǔ)能保持輸出電壓2）原理圖第14頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3）工作原理：ton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：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(shí)，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15頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4）Buck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Io＞Ick時(shí)，電感電流連續(xù)。當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流Io=Ick時(shí),電感電流處于臨界連續(xù)(有斷流臨界點(diǎn))。當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流Io＜Ick時(shí)，電感電流斷流。

3.3升壓變換電路(2.3.11)第16頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三①T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?jī)?chǔ)于電容C的能量維待工作。②T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(shí)Boost變換器的工作分為兩個(gè)階段:

第17頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三③沒(méi)有電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)的Boost變換器不宜在輸出端開(kāi)路情況下工作：因?yàn)榉€(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，開(kāi)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(guò)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升壓變換電路總結(jié)：①Boost電路對(duì)電源的輸人電流（也即通過(guò)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(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。④Boost變換器的效率很高，一般可達(dá)92%以上。第18頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

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(kù)克變換電路

3.6帶隔離變壓器的直流變換器

3.7直流變換電路的PWM控制技術(shù)

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直流變換電路

第19頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.4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，其電路原理圖如圖3.4.1(a)所示。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。圖3.4.1升降壓變換電路原理圖第20頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.4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(chǔ)能，濾波電容C向負(fù)載提供能量。②toff期間，當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小超過(guò)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3.4.1升降壓變換電路及其工作波形(3.4.4)(3.4.1)第21頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.4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(hào)表示輸出與輸入電壓反相；當(dāng)D=0.5時(shí)，U0=Ud；當(dāng)0.5<D<1時(shí)，U0>Ud，為升壓變換；當(dāng)0≤D<0.5時(shí)，U0<Ud，為降壓變換。(3.4.5)第22頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3）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(shí)的負(fù)載電流平均值為：變換器的可能運(yùn)行情況：實(shí)際負(fù)載電流Io＞Ick時(shí)，電感電流連續(xù)。實(shí)際負(fù)載電流Io=Ick時(shí)，電感電流處于臨界連續(xù)(有斷流臨界點(diǎn))。實(shí)際負(fù)載電流Io＜Ick時(shí)，電感電流斷流。3.4升降壓變換電路(3.4.5)第23頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

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(kù)克變換電路

3.6帶隔離變壓器的直流變換器

3.7直流變換電路的PWM控制技術(shù)

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直流變換電路

第24頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1）庫(kù)克(Cuk)變換電路屬升降壓型直流變換電路。2）電路的特點(diǎn)：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(duì)外部濾波器的要求。3.5庫(kù)克變換電路L1、L2儲(chǔ)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(kù)克(Cuk)變換電路原理圖第25頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.5庫(kù)克變換電路圖3.5.1庫(kù)克電路及其等效電路和工作波形

晶閘管關(guān)斷晶閘管開(kāi)通第26頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1）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(guò)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(kāi)關(guān)管T的關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，二極管電流總是大于零。電流斷流：在開(kāi)關(guān)管T的關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，二極管電流在一段時(shí)間內(nèi)為零。臨界連續(xù)：二極管電流經(jīng)toff后，在下個(gè)開(kāi)關(guān)周期TS的開(kāi)通時(shí)刻二極管電流正好降為零。3.5庫(kù)克變換電路第27頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

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(kù)克變換電路

3.6帶隔離變壓器的直流變換器

3.7直流變換電路的PWM控制技術(shù)

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直流變換電路

第28頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.6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(shí)現(xiàn)電氣隔離，提高變換器運(yùn)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(gè)二次繞組輸出幾個(gè)電壓大小不同的直流電壓。

1、引入變壓器作用：第29頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1）單端變換器：變換器只需一個(gè)開(kāi)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(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電源將能量直接傳送至負(fù)載；3）反激變換器：開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電源將電能轉(zhuǎn)為磁能儲(chǔ)存在電感中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管阻斷時(shí)再將磁能變?yōu)殡娔軅魉偷截?fù)載；3.6帶隔離變壓器的直流變換器2、分類(lèi)：第30頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.6帶隔離變壓器的直流變換器3.6.1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31頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.6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(guò)0.5。3.6.2正激式變換器(3.6.2)第32頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.6帶隔離變壓器的直流變換器3.6.3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33頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.6.4半橋式變換器

3.6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34頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三圖3.6.5全橋變換電路

3.6.5全橋變換電路

3.6帶隔離變壓器的直流變換器將半橋電路中的兩個(gè)電解電容C1和C2換成兩只開(kāi)關(guān)管，并配上適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)器，即可組成圖3.6.5所示的全橋電路。第35頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.1

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(kù)克變換電路

3.6帶隔離變壓器的直流變換器3.7

直流變換電路的PWM控制技術(shù)

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直流變換電路

第36頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.7

直流變換電路的PWM控制技術(shù)3.7.1直流PWM控制的基本原理圖3.7.1PWM波形載波調(diào)制信號(hào)第37頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1）PWM波形：將一個(gè)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(gè)與其面積相等的等幅矩形脈沖來(lái)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(duì)稱，當(dāng)它與任何一個(gè)光滑曲線相交時(shí)，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。

3.7.1直流PWM控制的基本原理圖3.7.1PWM波形調(diào)制信號(hào)載波第38頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3）直流PWM控制方式：用ug對(duì)直流變換電路開(kāi)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(guò)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(hào)ur的大小，就可以改變PWM波脈沖的寬度。3.7.1直流PWM控制的基本原理圖3.7.1PWM波形調(diào)制信號(hào)載波第39頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.7直流變換電路的PWM控制技術(shù)

1、雙極性電壓開(kāi)關(guān)PWM控制方式開(kāi)關(guān)原理：直流控制電壓與三角波電壓比較產(chǎn)生兩組開(kāi)關(guān)的PWM控制信號(hào):1)當(dāng)ur>uc時(shí)，T1和T4導(dǎo)通，T2和T3關(guān)斷；2)當(dāng)ur<uc時(shí)，開(kāi)關(guān)T1、T4關(guān)斷，T2、T3導(dǎo)通。

圖3.6.5全橋變換電路

第40頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期三圖3.7.2雙極性電壓PWM控制方式

1、雙極性電壓開(kāi)關(guān)PWM控制方式輸出電壓的平均值為：變換電路的